sistema de suspensiÓn de un vehÍculo solar tipo biplaza
TRANSCRIPT
SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN DE UN VEHIacuteCULO SOLAR TIPO BIPLAZA
JUAN DANIEL VIVAS NAVIA 2130559
UNIVERSIDAD AUTOacuteNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIacuteA
DEPARTAMENTO DE ENERGEacuteTICA Y MECAacuteNICA PROGRAMA INGENIERIacuteA MECAacuteNICA
SANTIAGO DE CALI 2019
SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN DE UN VEHIacuteCULO SOLAR TIPO BIPLAZA
JUAN DANIEL VIVAS NAVIA
Pasantiacutea institucional para optar al tiacutetulo de Ingeniero Mecaacutenico
Director HEacuteCTOR ENRIQUE JARAMILLO SUAacuteREZ Ph D
Ingeniero Mecaacutenico
UNIVERSIDAD AUTOacuteNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIacuteA
DEPARTAMENTO DE ENERGEacuteTICA Y MECAacuteNICA PROGRAMA INGENIERIacuteA MECAacuteNICA
SANTIAGO DE CALI 2019
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Nota de aceptacioacuten
Aprobado por el Comiteacute de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autoacutenoma de Occidente para optar al tiacutetulo de Ingeniero Mecaacutenico HELVER MAURICIO BARRERA Jurado CLAUDIA VANESSA ROA Jurado
Santiago de Cali 20 de agosto de 2019
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AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer al centro ASTIN en especial al ingeniero Bairo Vera Mondragoacuten ldquoCoordinador Innovacioacuten y Desarrollordquo y a su equipo por creer en un estudiante de pregrado y darle la oportunidad de generar aportes para el desarrollo del proyecto Destacando la calidad de profesionales y seres humanos que brindaron todo su apoyo durante mi estancia en el SENA
Igualmente ofrezco mis maacutes sinceros agradecimientos a mi director Heacutector Enrique Jaramillo Suaacuterez por su valioso direccionamiento a lo largo de este proyecto y a todo el equipo de docentes de la Universidad Autoacutenoma de Occidente por los muchos aportes a lo largo de mi formacioacuten personal y profesional durante estos antildeos
Para mi familia no tengo como expresar mi profunda gratitud por todo el respaldo y amor que me han brindado des del diacutea uno de mi existencia y a lo largo de esta etapa como estudiante que ya estaacute por llegar a su fin especialmente a mi tiacutea Martha Isabel Vivas Irurita que sin importar las condiciones siempre estuvo a mi lado para darme dos cosas valiosas consejos de vida y la oportunidad de estudiar Demostraacutendome que el mejor camino de vida es el conocimiento y escuchar la voz de la experiencia razones maacutes que suficientes para dedicarle este trabajo
5
CONTENIDO
paacuteg
RESUMEN 13
ABSTRACT 14
INTRODUCCIOacuteN 15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 16
2 JUSTIFICACIOacuteN 17
3 OBJETIVOS 18
31 OBJETIVO GENERAL 18
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 18
4 ANTECEDENTES 19
5 MARCO TEOacuteRICO 21
51 SUSPENSIOacuteN 21
511 Masa suspendida y no suspendida 21
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste 22
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten 23
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN 32
521 Alineacioacuten de las ruedas 35
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF) 36
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA 37
6
6 METODOLOGIacuteA 39
61 ETAPAS DEL PROYECTO 40
7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 41
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL 41
711 Estabilidad 41
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo 42
713 Geometriacutea optimizada 43
714 Disentildeo de bajo costo 44
8 SIacuteNTESIS 45
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN 45
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh 45
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera 46
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera 47
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR 48
821 Suspensioacuten delantera 51
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero 52
823 Suspensioacuten trasera 57
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN 64
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS 64
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN 66
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO 69
7
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera 70
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS 72
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN 73
951 ROTULAS 73
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS 75
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten 76
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera 79
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA 80
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN 84
10 CONCLUSIONES 86
REFERENCIAS 87
ANEXOS 90
8
LISTA DE FIGURAS paacuteg
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil 22
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten 23
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten 25
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento 26
Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores 27
Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos 28
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten (SKF 2001) 29
Figura 8 Porta Mangueta (Wikipedia 2017) 31
Figura 9 Problema estructural a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito 37
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica (EITA 2019) 38
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica 40
Figura 12 Aacuterbol de objetivos 41
Figura 13 Amortiguadores delanteros 49
Figura 14 Monoshock trasero 49
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores 50
Figura 16 Amortiguadores desensamblados 50
Figura 17 Suspensioacuten preliminar 51
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero 52
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero 53
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm) 54
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas 54
9
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas 55
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo 55
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg) 56
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero 57
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero 58
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte 59
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante 59
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo 60
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 32 Tijera trasera modelo final 62
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm) 63
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito 64
Figura 36 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m) 65
Figura 37 Diagrama de fuerza radial 66
Figura 38 Esquema de transferencia de masa 67
Figura 39 Diagrama de peso del vehiacuteculo 68
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal 70
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera 71
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 71
Figura 43 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 72
10
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF (SKF 2001) 73
Figura 45 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento (SKF 2001) 74
Figura 46 Grafica de convergencia de malla 76
Figura 46 Factor de seguridad porta masas 77
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior 78
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior 79
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera 80
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks) 81
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas 82
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado 83
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero 84
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper 85
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero 85
11
LISTA DE TABLAS paacuteg
Tabla 1 Tipos de muelle 24
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019) 30
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo 32
Tabla 4 Componentes de direccioacuten (Stone amp Ball 2004) 36
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera 47
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera 48
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones 72
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001) 75
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico 83
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LISTA DE ANEXOS paacuteg
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA 90
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera) 92
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF 93
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal 95
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal 97
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 100
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 101
Anexo H Tijera superior delantera 102
Anexo I Tijera inferior delantera 103
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje 104
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1 105
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2 106
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3 107
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4 108
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 109
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 110
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6 111
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7 112
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RESUMEN
Se llevoacute a cabo para el centro ASTIN perteneciente al SENA el proyecto de disentildeo del sistema de suspensioacuten para el vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza bajo una metodologiacutea de disentildeo mecaacutenico la cual permitioacute obtener soluciones acertadas dentro de la gama de opciones dado por los diferentes elementos mecaacutenicos diversas alternativas de materiales y manufactura existentes en el mercado mediante matrices de seleccioacuten Dicho proceso se culminoacute junto al doctor y jefe del equipo de disentildeo Bairo Vera el cual dio la uacuteltima palabra en cada una de las fases de disentildeo tambieacuten se tuvo en cuenta la experiencia del equipo en la construccioacuten de vehiacuteculos similares con el fin de asegurar la viabilidad y funcionalidad bajo los conocimientos teacutecnicos probados en la praacutectica
El objetivo especiacutefico del proyecto consistioacute en la aplicacioacuten del disentildeo mecaacutenico intensivo mediante el uso de la teoriacutea y herramientas computacionales para la generacioacuten de un disentildeo al detalle viable el cual se optimizoacute topoloacutegicamente para cada uno de los componentes de maacutes relevancia en el sistema a la vez que se cumplioacute con normas teacutecnicas establecidas para la competencia ldquoCarrera Solar ATACAMArdquo que seraacute el fin uacuteltimo
Palabras clave Sistema de suspensioacuten vehiacuteculo biplaza eleacutectrico disentildeo mecaacutenico herramientas computacionales carrera solar
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ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
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INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
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2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
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3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
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4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
20
El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
21
5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
22
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
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Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
24
Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
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5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
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Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
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5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
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para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
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Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
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Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
54
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
56
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
57
823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
58
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
59
La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
60
Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
64
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
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ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
91
Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
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51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN DE UN VEHIacuteCULO SOLAR TIPO BIPLAZA
JUAN DANIEL VIVAS NAVIA
Pasantiacutea institucional para optar al tiacutetulo de Ingeniero Mecaacutenico
Director HEacuteCTOR ENRIQUE JARAMILLO SUAacuteREZ Ph D
Ingeniero Mecaacutenico
UNIVERSIDAD AUTOacuteNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIacuteA
DEPARTAMENTO DE ENERGEacuteTICA Y MECAacuteNICA PROGRAMA INGENIERIacuteA MECAacuteNICA
SANTIAGO DE CALI 2019
3
Nota de aceptacioacuten
Aprobado por el Comiteacute de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autoacutenoma de Occidente para optar al tiacutetulo de Ingeniero Mecaacutenico HELVER MAURICIO BARRERA Jurado CLAUDIA VANESSA ROA Jurado
Santiago de Cali 20 de agosto de 2019
4
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer al centro ASTIN en especial al ingeniero Bairo Vera Mondragoacuten ldquoCoordinador Innovacioacuten y Desarrollordquo y a su equipo por creer en un estudiante de pregrado y darle la oportunidad de generar aportes para el desarrollo del proyecto Destacando la calidad de profesionales y seres humanos que brindaron todo su apoyo durante mi estancia en el SENA
Igualmente ofrezco mis maacutes sinceros agradecimientos a mi director Heacutector Enrique Jaramillo Suaacuterez por su valioso direccionamiento a lo largo de este proyecto y a todo el equipo de docentes de la Universidad Autoacutenoma de Occidente por los muchos aportes a lo largo de mi formacioacuten personal y profesional durante estos antildeos
Para mi familia no tengo como expresar mi profunda gratitud por todo el respaldo y amor que me han brindado des del diacutea uno de mi existencia y a lo largo de esta etapa como estudiante que ya estaacute por llegar a su fin especialmente a mi tiacutea Martha Isabel Vivas Irurita que sin importar las condiciones siempre estuvo a mi lado para darme dos cosas valiosas consejos de vida y la oportunidad de estudiar Demostraacutendome que el mejor camino de vida es el conocimiento y escuchar la voz de la experiencia razones maacutes que suficientes para dedicarle este trabajo
5
CONTENIDO
paacuteg
RESUMEN 13
ABSTRACT 14
INTRODUCCIOacuteN 15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 16
2 JUSTIFICACIOacuteN 17
3 OBJETIVOS 18
31 OBJETIVO GENERAL 18
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 18
4 ANTECEDENTES 19
5 MARCO TEOacuteRICO 21
51 SUSPENSIOacuteN 21
511 Masa suspendida y no suspendida 21
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste 22
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten 23
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN 32
521 Alineacioacuten de las ruedas 35
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF) 36
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA 37
6
6 METODOLOGIacuteA 39
61 ETAPAS DEL PROYECTO 40
7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 41
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL 41
711 Estabilidad 41
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo 42
713 Geometriacutea optimizada 43
714 Disentildeo de bajo costo 44
8 SIacuteNTESIS 45
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN 45
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh 45
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera 46
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera 47
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR 48
821 Suspensioacuten delantera 51
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero 52
823 Suspensioacuten trasera 57
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN 64
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS 64
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN 66
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO 69
7
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera 70
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS 72
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN 73
951 ROTULAS 73
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS 75
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten 76
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera 79
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA 80
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN 84
10 CONCLUSIONES 86
REFERENCIAS 87
ANEXOS 90
8
LISTA DE FIGURAS paacuteg
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil 22
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten 23
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten 25
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento 26
Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores 27
Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos 28
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten (SKF 2001) 29
Figura 8 Porta Mangueta (Wikipedia 2017) 31
Figura 9 Problema estructural a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito 37
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica (EITA 2019) 38
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica 40
Figura 12 Aacuterbol de objetivos 41
Figura 13 Amortiguadores delanteros 49
Figura 14 Monoshock trasero 49
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores 50
Figura 16 Amortiguadores desensamblados 50
Figura 17 Suspensioacuten preliminar 51
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero 52
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero 53
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm) 54
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas 54
9
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas 55
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo 55
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg) 56
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero 57
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero 58
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte 59
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante 59
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo 60
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 32 Tijera trasera modelo final 62
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm) 63
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito 64
Figura 36 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m) 65
Figura 37 Diagrama de fuerza radial 66
Figura 38 Esquema de transferencia de masa 67
Figura 39 Diagrama de peso del vehiacuteculo 68
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal 70
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera 71
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 71
Figura 43 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 72
10
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF (SKF 2001) 73
Figura 45 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento (SKF 2001) 74
Figura 46 Grafica de convergencia de malla 76
Figura 46 Factor de seguridad porta masas 77
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior 78
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior 79
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera 80
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks) 81
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas 82
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado 83
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero 84
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper 85
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero 85
11
LISTA DE TABLAS paacuteg
Tabla 1 Tipos de muelle 24
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019) 30
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo 32
Tabla 4 Componentes de direccioacuten (Stone amp Ball 2004) 36
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera 47
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera 48
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones 72
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001) 75
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico 83
12
LISTA DE ANEXOS paacuteg
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA 90
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera) 92
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF 93
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal 95
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal 97
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 100
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 101
Anexo H Tijera superior delantera 102
Anexo I Tijera inferior delantera 103
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje 104
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1 105
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2 106
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3 107
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4 108
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 109
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 110
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6 111
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7 112
13
RESUMEN
Se llevoacute a cabo para el centro ASTIN perteneciente al SENA el proyecto de disentildeo del sistema de suspensioacuten para el vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza bajo una metodologiacutea de disentildeo mecaacutenico la cual permitioacute obtener soluciones acertadas dentro de la gama de opciones dado por los diferentes elementos mecaacutenicos diversas alternativas de materiales y manufactura existentes en el mercado mediante matrices de seleccioacuten Dicho proceso se culminoacute junto al doctor y jefe del equipo de disentildeo Bairo Vera el cual dio la uacuteltima palabra en cada una de las fases de disentildeo tambieacuten se tuvo en cuenta la experiencia del equipo en la construccioacuten de vehiacuteculos similares con el fin de asegurar la viabilidad y funcionalidad bajo los conocimientos teacutecnicos probados en la praacutectica
El objetivo especiacutefico del proyecto consistioacute en la aplicacioacuten del disentildeo mecaacutenico intensivo mediante el uso de la teoriacutea y herramientas computacionales para la generacioacuten de un disentildeo al detalle viable el cual se optimizoacute topoloacutegicamente para cada uno de los componentes de maacutes relevancia en el sistema a la vez que se cumplioacute con normas teacutecnicas establecidas para la competencia ldquoCarrera Solar ATACAMArdquo que seraacute el fin uacuteltimo
Palabras clave Sistema de suspensioacuten vehiacuteculo biplaza eleacutectrico disentildeo mecaacutenico herramientas computacionales carrera solar
14
ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
15
INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
16
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
17
2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
18
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
19
4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
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El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
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5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
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Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
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Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
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Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
45
8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
47
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
48
y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
49
para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
50
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
51
821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
52
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
54
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
56
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
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823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
58
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
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La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
60
Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
64
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
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95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
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Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
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Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
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Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
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ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
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9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
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Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
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Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
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La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
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Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
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Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
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98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
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Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
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10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
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ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
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Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
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Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
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Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
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Anexo C Continuacioacuten
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Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
3
Nota de aceptacioacuten
Aprobado por el Comiteacute de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autoacutenoma de Occidente para optar al tiacutetulo de Ingeniero Mecaacutenico HELVER MAURICIO BARRERA Jurado CLAUDIA VANESSA ROA Jurado
Santiago de Cali 20 de agosto de 2019
4
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer al centro ASTIN en especial al ingeniero Bairo Vera Mondragoacuten ldquoCoordinador Innovacioacuten y Desarrollordquo y a su equipo por creer en un estudiante de pregrado y darle la oportunidad de generar aportes para el desarrollo del proyecto Destacando la calidad de profesionales y seres humanos que brindaron todo su apoyo durante mi estancia en el SENA
Igualmente ofrezco mis maacutes sinceros agradecimientos a mi director Heacutector Enrique Jaramillo Suaacuterez por su valioso direccionamiento a lo largo de este proyecto y a todo el equipo de docentes de la Universidad Autoacutenoma de Occidente por los muchos aportes a lo largo de mi formacioacuten personal y profesional durante estos antildeos
Para mi familia no tengo como expresar mi profunda gratitud por todo el respaldo y amor que me han brindado des del diacutea uno de mi existencia y a lo largo de esta etapa como estudiante que ya estaacute por llegar a su fin especialmente a mi tiacutea Martha Isabel Vivas Irurita que sin importar las condiciones siempre estuvo a mi lado para darme dos cosas valiosas consejos de vida y la oportunidad de estudiar Demostraacutendome que el mejor camino de vida es el conocimiento y escuchar la voz de la experiencia razones maacutes que suficientes para dedicarle este trabajo
5
CONTENIDO
paacuteg
RESUMEN 13
ABSTRACT 14
INTRODUCCIOacuteN 15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 16
2 JUSTIFICACIOacuteN 17
3 OBJETIVOS 18
31 OBJETIVO GENERAL 18
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 18
4 ANTECEDENTES 19
5 MARCO TEOacuteRICO 21
51 SUSPENSIOacuteN 21
511 Masa suspendida y no suspendida 21
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste 22
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten 23
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN 32
521 Alineacioacuten de las ruedas 35
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF) 36
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA 37
6
6 METODOLOGIacuteA 39
61 ETAPAS DEL PROYECTO 40
7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 41
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL 41
711 Estabilidad 41
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo 42
713 Geometriacutea optimizada 43
714 Disentildeo de bajo costo 44
8 SIacuteNTESIS 45
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN 45
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh 45
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera 46
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera 47
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR 48
821 Suspensioacuten delantera 51
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero 52
823 Suspensioacuten trasera 57
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN 64
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS 64
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN 66
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO 69
7
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera 70
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS 72
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN 73
951 ROTULAS 73
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS 75
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten 76
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera 79
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA 80
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN 84
10 CONCLUSIONES 86
REFERENCIAS 87
ANEXOS 90
8
LISTA DE FIGURAS paacuteg
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil 22
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten 23
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten 25
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento 26
Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores 27
Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos 28
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten (SKF 2001) 29
Figura 8 Porta Mangueta (Wikipedia 2017) 31
Figura 9 Problema estructural a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito 37
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica (EITA 2019) 38
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica 40
Figura 12 Aacuterbol de objetivos 41
Figura 13 Amortiguadores delanteros 49
Figura 14 Monoshock trasero 49
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores 50
Figura 16 Amortiguadores desensamblados 50
Figura 17 Suspensioacuten preliminar 51
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero 52
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero 53
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm) 54
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas 54
9
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas 55
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo 55
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg) 56
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero 57
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero 58
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte 59
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante 59
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo 60
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 32 Tijera trasera modelo final 62
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm) 63
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito 64
Figura 36 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m) 65
Figura 37 Diagrama de fuerza radial 66
Figura 38 Esquema de transferencia de masa 67
Figura 39 Diagrama de peso del vehiacuteculo 68
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal 70
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera 71
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 71
Figura 43 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 72
10
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF (SKF 2001) 73
Figura 45 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento (SKF 2001) 74
Figura 46 Grafica de convergencia de malla 76
Figura 46 Factor de seguridad porta masas 77
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior 78
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior 79
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera 80
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks) 81
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas 82
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado 83
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero 84
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper 85
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero 85
11
LISTA DE TABLAS paacuteg
Tabla 1 Tipos de muelle 24
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019) 30
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo 32
Tabla 4 Componentes de direccioacuten (Stone amp Ball 2004) 36
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera 47
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera 48
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones 72
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001) 75
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico 83
12
LISTA DE ANEXOS paacuteg
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA 90
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera) 92
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF 93
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal 95
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal 97
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 100
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 101
Anexo H Tijera superior delantera 102
Anexo I Tijera inferior delantera 103
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje 104
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1 105
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2 106
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3 107
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4 108
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 109
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 110
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6 111
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7 112
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RESUMEN
Se llevoacute a cabo para el centro ASTIN perteneciente al SENA el proyecto de disentildeo del sistema de suspensioacuten para el vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza bajo una metodologiacutea de disentildeo mecaacutenico la cual permitioacute obtener soluciones acertadas dentro de la gama de opciones dado por los diferentes elementos mecaacutenicos diversas alternativas de materiales y manufactura existentes en el mercado mediante matrices de seleccioacuten Dicho proceso se culminoacute junto al doctor y jefe del equipo de disentildeo Bairo Vera el cual dio la uacuteltima palabra en cada una de las fases de disentildeo tambieacuten se tuvo en cuenta la experiencia del equipo en la construccioacuten de vehiacuteculos similares con el fin de asegurar la viabilidad y funcionalidad bajo los conocimientos teacutecnicos probados en la praacutectica
El objetivo especiacutefico del proyecto consistioacute en la aplicacioacuten del disentildeo mecaacutenico intensivo mediante el uso de la teoriacutea y herramientas computacionales para la generacioacuten de un disentildeo al detalle viable el cual se optimizoacute topoloacutegicamente para cada uno de los componentes de maacutes relevancia en el sistema a la vez que se cumplioacute con normas teacutecnicas establecidas para la competencia ldquoCarrera Solar ATACAMArdquo que seraacute el fin uacuteltimo
Palabras clave Sistema de suspensioacuten vehiacuteculo biplaza eleacutectrico disentildeo mecaacutenico herramientas computacionales carrera solar
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ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
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INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
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2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
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3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
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4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
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El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
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5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
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Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
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Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
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Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
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para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
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Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
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Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
54
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
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Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
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823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
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Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
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La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
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Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
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Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
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9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
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ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
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Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
4
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer al centro ASTIN en especial al ingeniero Bairo Vera Mondragoacuten ldquoCoordinador Innovacioacuten y Desarrollordquo y a su equipo por creer en un estudiante de pregrado y darle la oportunidad de generar aportes para el desarrollo del proyecto Destacando la calidad de profesionales y seres humanos que brindaron todo su apoyo durante mi estancia en el SENA
Igualmente ofrezco mis maacutes sinceros agradecimientos a mi director Heacutector Enrique Jaramillo Suaacuterez por su valioso direccionamiento a lo largo de este proyecto y a todo el equipo de docentes de la Universidad Autoacutenoma de Occidente por los muchos aportes a lo largo de mi formacioacuten personal y profesional durante estos antildeos
Para mi familia no tengo como expresar mi profunda gratitud por todo el respaldo y amor que me han brindado des del diacutea uno de mi existencia y a lo largo de esta etapa como estudiante que ya estaacute por llegar a su fin especialmente a mi tiacutea Martha Isabel Vivas Irurita que sin importar las condiciones siempre estuvo a mi lado para darme dos cosas valiosas consejos de vida y la oportunidad de estudiar Demostraacutendome que el mejor camino de vida es el conocimiento y escuchar la voz de la experiencia razones maacutes que suficientes para dedicarle este trabajo
5
CONTENIDO
paacuteg
RESUMEN 13
ABSTRACT 14
INTRODUCCIOacuteN 15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 16
2 JUSTIFICACIOacuteN 17
3 OBJETIVOS 18
31 OBJETIVO GENERAL 18
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 18
4 ANTECEDENTES 19
5 MARCO TEOacuteRICO 21
51 SUSPENSIOacuteN 21
511 Masa suspendida y no suspendida 21
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste 22
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten 23
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN 32
521 Alineacioacuten de las ruedas 35
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF) 36
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA 37
6
6 METODOLOGIacuteA 39
61 ETAPAS DEL PROYECTO 40
7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 41
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL 41
711 Estabilidad 41
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo 42
713 Geometriacutea optimizada 43
714 Disentildeo de bajo costo 44
8 SIacuteNTESIS 45
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN 45
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh 45
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera 46
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera 47
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR 48
821 Suspensioacuten delantera 51
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero 52
823 Suspensioacuten trasera 57
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN 64
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS 64
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN 66
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO 69
7
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera 70
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS 72
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN 73
951 ROTULAS 73
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS 75
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten 76
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera 79
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA 80
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN 84
10 CONCLUSIONES 86
REFERENCIAS 87
ANEXOS 90
8
LISTA DE FIGURAS paacuteg
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil 22
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten 23
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten 25
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento 26
Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores 27
Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos 28
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten (SKF 2001) 29
Figura 8 Porta Mangueta (Wikipedia 2017) 31
Figura 9 Problema estructural a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito 37
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica (EITA 2019) 38
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica 40
Figura 12 Aacuterbol de objetivos 41
Figura 13 Amortiguadores delanteros 49
Figura 14 Monoshock trasero 49
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores 50
Figura 16 Amortiguadores desensamblados 50
Figura 17 Suspensioacuten preliminar 51
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero 52
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero 53
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm) 54
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas 54
9
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas 55
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo 55
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg) 56
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero 57
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero 58
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte 59
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante 59
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo 60
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 32 Tijera trasera modelo final 62
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm) 63
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito 64
Figura 36 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m) 65
Figura 37 Diagrama de fuerza radial 66
Figura 38 Esquema de transferencia de masa 67
Figura 39 Diagrama de peso del vehiacuteculo 68
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal 70
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera 71
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 71
Figura 43 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 72
10
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF (SKF 2001) 73
Figura 45 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento (SKF 2001) 74
Figura 46 Grafica de convergencia de malla 76
Figura 46 Factor de seguridad porta masas 77
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior 78
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior 79
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera 80
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks) 81
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas 82
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado 83
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero 84
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper 85
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero 85
11
LISTA DE TABLAS paacuteg
Tabla 1 Tipos de muelle 24
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019) 30
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo 32
Tabla 4 Componentes de direccioacuten (Stone amp Ball 2004) 36
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera 47
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera 48
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones 72
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001) 75
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico 83
12
LISTA DE ANEXOS paacuteg
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA 90
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera) 92
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF 93
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal 95
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal 97
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 100
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 101
Anexo H Tijera superior delantera 102
Anexo I Tijera inferior delantera 103
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje 104
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1 105
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2 106
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3 107
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4 108
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 109
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 110
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6 111
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7 112
13
RESUMEN
Se llevoacute a cabo para el centro ASTIN perteneciente al SENA el proyecto de disentildeo del sistema de suspensioacuten para el vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza bajo una metodologiacutea de disentildeo mecaacutenico la cual permitioacute obtener soluciones acertadas dentro de la gama de opciones dado por los diferentes elementos mecaacutenicos diversas alternativas de materiales y manufactura existentes en el mercado mediante matrices de seleccioacuten Dicho proceso se culminoacute junto al doctor y jefe del equipo de disentildeo Bairo Vera el cual dio la uacuteltima palabra en cada una de las fases de disentildeo tambieacuten se tuvo en cuenta la experiencia del equipo en la construccioacuten de vehiacuteculos similares con el fin de asegurar la viabilidad y funcionalidad bajo los conocimientos teacutecnicos probados en la praacutectica
El objetivo especiacutefico del proyecto consistioacute en la aplicacioacuten del disentildeo mecaacutenico intensivo mediante el uso de la teoriacutea y herramientas computacionales para la generacioacuten de un disentildeo al detalle viable el cual se optimizoacute topoloacutegicamente para cada uno de los componentes de maacutes relevancia en el sistema a la vez que se cumplioacute con normas teacutecnicas establecidas para la competencia ldquoCarrera Solar ATACAMArdquo que seraacute el fin uacuteltimo
Palabras clave Sistema de suspensioacuten vehiacuteculo biplaza eleacutectrico disentildeo mecaacutenico herramientas computacionales carrera solar
14
ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
15
INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
16
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
17
2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
18
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
19
4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
20
El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
21
5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
22
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
23
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
24
Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
25
oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
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para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
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Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
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Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
54
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
56
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
57
823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
58
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
59
La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
60
Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
64
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
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ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
91
Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
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52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
5
CONTENIDO
paacuteg
RESUMEN 13
ABSTRACT 14
INTRODUCCIOacuteN 15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 16
2 JUSTIFICACIOacuteN 17
3 OBJETIVOS 18
31 OBJETIVO GENERAL 18
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 18
4 ANTECEDENTES 19
5 MARCO TEOacuteRICO 21
51 SUSPENSIOacuteN 21
511 Masa suspendida y no suspendida 21
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste 22
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten 23
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN 32
521 Alineacioacuten de las ruedas 35
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF) 36
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA 37
6
6 METODOLOGIacuteA 39
61 ETAPAS DEL PROYECTO 40
7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 41
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL 41
711 Estabilidad 41
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo 42
713 Geometriacutea optimizada 43
714 Disentildeo de bajo costo 44
8 SIacuteNTESIS 45
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN 45
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh 45
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera 46
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera 47
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR 48
821 Suspensioacuten delantera 51
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero 52
823 Suspensioacuten trasera 57
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN 64
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS 64
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN 66
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO 69
7
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera 70
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS 72
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN 73
951 ROTULAS 73
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS 75
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten 76
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera 79
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA 80
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN 84
10 CONCLUSIONES 86
REFERENCIAS 87
ANEXOS 90
8
LISTA DE FIGURAS paacuteg
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil 22
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten 23
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten 25
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento 26
Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores 27
Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos 28
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten (SKF 2001) 29
Figura 8 Porta Mangueta (Wikipedia 2017) 31
Figura 9 Problema estructural a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito 37
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica (EITA 2019) 38
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica 40
Figura 12 Aacuterbol de objetivos 41
Figura 13 Amortiguadores delanteros 49
Figura 14 Monoshock trasero 49
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores 50
Figura 16 Amortiguadores desensamblados 50
Figura 17 Suspensioacuten preliminar 51
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero 52
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero 53
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm) 54
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas 54
9
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas 55
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo 55
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg) 56
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero 57
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero 58
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte 59
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante 59
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo 60
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 32 Tijera trasera modelo final 62
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm) 63
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito 64
Figura 36 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m) 65
Figura 37 Diagrama de fuerza radial 66
Figura 38 Esquema de transferencia de masa 67
Figura 39 Diagrama de peso del vehiacuteculo 68
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal 70
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera 71
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 71
Figura 43 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 72
10
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF (SKF 2001) 73
Figura 45 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento (SKF 2001) 74
Figura 46 Grafica de convergencia de malla 76
Figura 46 Factor de seguridad porta masas 77
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior 78
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior 79
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera 80
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks) 81
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas 82
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado 83
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero 84
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper 85
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero 85
11
LISTA DE TABLAS paacuteg
Tabla 1 Tipos de muelle 24
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019) 30
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo 32
Tabla 4 Componentes de direccioacuten (Stone amp Ball 2004) 36
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera 47
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera 48
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones 72
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001) 75
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico 83
12
LISTA DE ANEXOS paacuteg
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA 90
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera) 92
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF 93
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal 95
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal 97
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 100
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 101
Anexo H Tijera superior delantera 102
Anexo I Tijera inferior delantera 103
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje 104
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1 105
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2 106
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3 107
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4 108
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 109
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 110
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6 111
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7 112
13
RESUMEN
Se llevoacute a cabo para el centro ASTIN perteneciente al SENA el proyecto de disentildeo del sistema de suspensioacuten para el vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza bajo una metodologiacutea de disentildeo mecaacutenico la cual permitioacute obtener soluciones acertadas dentro de la gama de opciones dado por los diferentes elementos mecaacutenicos diversas alternativas de materiales y manufactura existentes en el mercado mediante matrices de seleccioacuten Dicho proceso se culminoacute junto al doctor y jefe del equipo de disentildeo Bairo Vera el cual dio la uacuteltima palabra en cada una de las fases de disentildeo tambieacuten se tuvo en cuenta la experiencia del equipo en la construccioacuten de vehiacuteculos similares con el fin de asegurar la viabilidad y funcionalidad bajo los conocimientos teacutecnicos probados en la praacutectica
El objetivo especiacutefico del proyecto consistioacute en la aplicacioacuten del disentildeo mecaacutenico intensivo mediante el uso de la teoriacutea y herramientas computacionales para la generacioacuten de un disentildeo al detalle viable el cual se optimizoacute topoloacutegicamente para cada uno de los componentes de maacutes relevancia en el sistema a la vez que se cumplioacute con normas teacutecnicas establecidas para la competencia ldquoCarrera Solar ATACAMArdquo que seraacute el fin uacuteltimo
Palabras clave Sistema de suspensioacuten vehiacuteculo biplaza eleacutectrico disentildeo mecaacutenico herramientas computacionales carrera solar
14
ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
15
INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
16
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
17
2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
18
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
19
4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
20
El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
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5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
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Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
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Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
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Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
47
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
48
y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
49
para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
50
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
51
821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
52
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
54
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
56
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
57
823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
58
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
59
La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
60
Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
64
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
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ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
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9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
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Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
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ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
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Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
6
6 METODOLOGIacuteA 39
61 ETAPAS DEL PROYECTO 40
7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 41
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL 41
711 Estabilidad 41
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo 42
713 Geometriacutea optimizada 43
714 Disentildeo de bajo costo 44
8 SIacuteNTESIS 45
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN 45
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh 45
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera 46
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera 47
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR 48
821 Suspensioacuten delantera 51
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero 52
823 Suspensioacuten trasera 57
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN 64
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS 64
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN 66
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO 69
7
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera 70
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS 72
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN 73
951 ROTULAS 73
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS 75
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten 76
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera 79
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA 80
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN 84
10 CONCLUSIONES 86
REFERENCIAS 87
ANEXOS 90
8
LISTA DE FIGURAS paacuteg
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil 22
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten 23
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten 25
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento 26
Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores 27
Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos 28
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten (SKF 2001) 29
Figura 8 Porta Mangueta (Wikipedia 2017) 31
Figura 9 Problema estructural a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito 37
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica (EITA 2019) 38
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica 40
Figura 12 Aacuterbol de objetivos 41
Figura 13 Amortiguadores delanteros 49
Figura 14 Monoshock trasero 49
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores 50
Figura 16 Amortiguadores desensamblados 50
Figura 17 Suspensioacuten preliminar 51
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero 52
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero 53
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm) 54
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas 54
9
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas 55
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo 55
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg) 56
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero 57
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero 58
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte 59
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante 59
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo 60
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 32 Tijera trasera modelo final 62
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm) 63
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito 64
Figura 36 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m) 65
Figura 37 Diagrama de fuerza radial 66
Figura 38 Esquema de transferencia de masa 67
Figura 39 Diagrama de peso del vehiacuteculo 68
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal 70
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera 71
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 71
Figura 43 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 72
10
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF (SKF 2001) 73
Figura 45 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento (SKF 2001) 74
Figura 46 Grafica de convergencia de malla 76
Figura 46 Factor de seguridad porta masas 77
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior 78
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior 79
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera 80
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks) 81
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas 82
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado 83
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero 84
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper 85
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero 85
11
LISTA DE TABLAS paacuteg
Tabla 1 Tipos de muelle 24
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019) 30
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo 32
Tabla 4 Componentes de direccioacuten (Stone amp Ball 2004) 36
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera 47
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera 48
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones 72
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001) 75
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico 83
12
LISTA DE ANEXOS paacuteg
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA 90
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera) 92
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF 93
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal 95
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal 97
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 100
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 101
Anexo H Tijera superior delantera 102
Anexo I Tijera inferior delantera 103
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje 104
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1 105
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2 106
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3 107
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4 108
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 109
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 110
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6 111
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7 112
13
RESUMEN
Se llevoacute a cabo para el centro ASTIN perteneciente al SENA el proyecto de disentildeo del sistema de suspensioacuten para el vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza bajo una metodologiacutea de disentildeo mecaacutenico la cual permitioacute obtener soluciones acertadas dentro de la gama de opciones dado por los diferentes elementos mecaacutenicos diversas alternativas de materiales y manufactura existentes en el mercado mediante matrices de seleccioacuten Dicho proceso se culminoacute junto al doctor y jefe del equipo de disentildeo Bairo Vera el cual dio la uacuteltima palabra en cada una de las fases de disentildeo tambieacuten se tuvo en cuenta la experiencia del equipo en la construccioacuten de vehiacuteculos similares con el fin de asegurar la viabilidad y funcionalidad bajo los conocimientos teacutecnicos probados en la praacutectica
El objetivo especiacutefico del proyecto consistioacute en la aplicacioacuten del disentildeo mecaacutenico intensivo mediante el uso de la teoriacutea y herramientas computacionales para la generacioacuten de un disentildeo al detalle viable el cual se optimizoacute topoloacutegicamente para cada uno de los componentes de maacutes relevancia en el sistema a la vez que se cumplioacute con normas teacutecnicas establecidas para la competencia ldquoCarrera Solar ATACAMArdquo que seraacute el fin uacuteltimo
Palabras clave Sistema de suspensioacuten vehiacuteculo biplaza eleacutectrico disentildeo mecaacutenico herramientas computacionales carrera solar
14
ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
15
INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
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2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
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3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
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4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
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El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
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5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
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Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
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Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
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Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
43
7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
45
8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
46
caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
49
para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
50
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
52
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
54
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
56
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
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823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
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Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
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La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
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Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
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9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
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Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
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ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
91
Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
7
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera 70
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS 72
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN 73
951 ROTULAS 73
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS 75
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten 76
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera 79
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA 80
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN 84
10 CONCLUSIONES 86
REFERENCIAS 87
ANEXOS 90
8
LISTA DE FIGURAS paacuteg
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil 22
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten 23
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten 25
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento 26
Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores 27
Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos 28
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten (SKF 2001) 29
Figura 8 Porta Mangueta (Wikipedia 2017) 31
Figura 9 Problema estructural a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito 37
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica (EITA 2019) 38
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica 40
Figura 12 Aacuterbol de objetivos 41
Figura 13 Amortiguadores delanteros 49
Figura 14 Monoshock trasero 49
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores 50
Figura 16 Amortiguadores desensamblados 50
Figura 17 Suspensioacuten preliminar 51
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero 52
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero 53
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm) 54
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas 54
9
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas 55
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo 55
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg) 56
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero 57
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero 58
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte 59
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante 59
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo 60
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 32 Tijera trasera modelo final 62
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm) 63
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito 64
Figura 36 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m) 65
Figura 37 Diagrama de fuerza radial 66
Figura 38 Esquema de transferencia de masa 67
Figura 39 Diagrama de peso del vehiacuteculo 68
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal 70
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera 71
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 71
Figura 43 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 72
10
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF (SKF 2001) 73
Figura 45 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento (SKF 2001) 74
Figura 46 Grafica de convergencia de malla 76
Figura 46 Factor de seguridad porta masas 77
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior 78
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior 79
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera 80
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks) 81
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas 82
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado 83
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero 84
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper 85
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero 85
11
LISTA DE TABLAS paacuteg
Tabla 1 Tipos de muelle 24
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019) 30
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo 32
Tabla 4 Componentes de direccioacuten (Stone amp Ball 2004) 36
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera 47
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera 48
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones 72
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001) 75
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico 83
12
LISTA DE ANEXOS paacuteg
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA 90
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera) 92
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF 93
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal 95
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal 97
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 100
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 101
Anexo H Tijera superior delantera 102
Anexo I Tijera inferior delantera 103
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje 104
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1 105
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2 106
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3 107
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4 108
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 109
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 110
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6 111
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7 112
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RESUMEN
Se llevoacute a cabo para el centro ASTIN perteneciente al SENA el proyecto de disentildeo del sistema de suspensioacuten para el vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza bajo una metodologiacutea de disentildeo mecaacutenico la cual permitioacute obtener soluciones acertadas dentro de la gama de opciones dado por los diferentes elementos mecaacutenicos diversas alternativas de materiales y manufactura existentes en el mercado mediante matrices de seleccioacuten Dicho proceso se culminoacute junto al doctor y jefe del equipo de disentildeo Bairo Vera el cual dio la uacuteltima palabra en cada una de las fases de disentildeo tambieacuten se tuvo en cuenta la experiencia del equipo en la construccioacuten de vehiacuteculos similares con el fin de asegurar la viabilidad y funcionalidad bajo los conocimientos teacutecnicos probados en la praacutectica
El objetivo especiacutefico del proyecto consistioacute en la aplicacioacuten del disentildeo mecaacutenico intensivo mediante el uso de la teoriacutea y herramientas computacionales para la generacioacuten de un disentildeo al detalle viable el cual se optimizoacute topoloacutegicamente para cada uno de los componentes de maacutes relevancia en el sistema a la vez que se cumplioacute con normas teacutecnicas establecidas para la competencia ldquoCarrera Solar ATACAMArdquo que seraacute el fin uacuteltimo
Palabras clave Sistema de suspensioacuten vehiacuteculo biplaza eleacutectrico disentildeo mecaacutenico herramientas computacionales carrera solar
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ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
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INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
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2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
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3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
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4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
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El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
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5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
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Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
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Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
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Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
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para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
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Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
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Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
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Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
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Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
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Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
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Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
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823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
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Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
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La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
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Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
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Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
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Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
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9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
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119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
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ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
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Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
8
LISTA DE FIGURAS paacuteg
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil 22
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten 23
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten 25
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento 26
Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores 27
Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos 28
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten (SKF 2001) 29
Figura 8 Porta Mangueta (Wikipedia 2017) 31
Figura 9 Problema estructural a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito 37
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica (EITA 2019) 38
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica 40
Figura 12 Aacuterbol de objetivos 41
Figura 13 Amortiguadores delanteros 49
Figura 14 Monoshock trasero 49
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores 50
Figura 16 Amortiguadores desensamblados 50
Figura 17 Suspensioacuten preliminar 51
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero 52
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero 53
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm) 54
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas 54
9
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas 55
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo 55
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg) 56
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero 57
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero 58
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte 59
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante 59
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo 60
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 32 Tijera trasera modelo final 62
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm) 63
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito 64
Figura 36 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m) 65
Figura 37 Diagrama de fuerza radial 66
Figura 38 Esquema de transferencia de masa 67
Figura 39 Diagrama de peso del vehiacuteculo 68
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal 70
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera 71
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 71
Figura 43 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 72
10
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF (SKF 2001) 73
Figura 45 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento (SKF 2001) 74
Figura 46 Grafica de convergencia de malla 76
Figura 46 Factor de seguridad porta masas 77
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior 78
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior 79
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera 80
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks) 81
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas 82
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado 83
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero 84
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper 85
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero 85
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LISTA DE TABLAS paacuteg
Tabla 1 Tipos de muelle 24
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019) 30
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo 32
Tabla 4 Componentes de direccioacuten (Stone amp Ball 2004) 36
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera 47
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera 48
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones 72
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001) 75
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico 83
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LISTA DE ANEXOS paacuteg
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA 90
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera) 92
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF 93
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal 95
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal 97
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 100
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 101
Anexo H Tijera superior delantera 102
Anexo I Tijera inferior delantera 103
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje 104
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1 105
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2 106
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3 107
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4 108
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 109
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 110
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6 111
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7 112
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RESUMEN
Se llevoacute a cabo para el centro ASTIN perteneciente al SENA el proyecto de disentildeo del sistema de suspensioacuten para el vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza bajo una metodologiacutea de disentildeo mecaacutenico la cual permitioacute obtener soluciones acertadas dentro de la gama de opciones dado por los diferentes elementos mecaacutenicos diversas alternativas de materiales y manufactura existentes en el mercado mediante matrices de seleccioacuten Dicho proceso se culminoacute junto al doctor y jefe del equipo de disentildeo Bairo Vera el cual dio la uacuteltima palabra en cada una de las fases de disentildeo tambieacuten se tuvo en cuenta la experiencia del equipo en la construccioacuten de vehiacuteculos similares con el fin de asegurar la viabilidad y funcionalidad bajo los conocimientos teacutecnicos probados en la praacutectica
El objetivo especiacutefico del proyecto consistioacute en la aplicacioacuten del disentildeo mecaacutenico intensivo mediante el uso de la teoriacutea y herramientas computacionales para la generacioacuten de un disentildeo al detalle viable el cual se optimizoacute topoloacutegicamente para cada uno de los componentes de maacutes relevancia en el sistema a la vez que se cumplioacute con normas teacutecnicas establecidas para la competencia ldquoCarrera Solar ATACAMArdquo que seraacute el fin uacuteltimo
Palabras clave Sistema de suspensioacuten vehiacuteculo biplaza eleacutectrico disentildeo mecaacutenico herramientas computacionales carrera solar
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ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
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INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
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2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
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3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
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4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
20
El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
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5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
22
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
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Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
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Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
28
Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
30
propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
34
Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
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para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
50
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
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Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
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Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
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Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
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823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
58
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
59
La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
60
Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
64
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
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90
ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
91
Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
9
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas 55
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo 55
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg) 56
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero 57
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero 58
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte 59
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante 59
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo 60
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo 61
Figura 32 Tijera trasera modelo final 62
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm) 63
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito 64
Figura 36 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m) 65
Figura 37 Diagrama de fuerza radial 66
Figura 38 Esquema de transferencia de masa 67
Figura 39 Diagrama de peso del vehiacuteculo 68
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal 70
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera 71
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 71
Figura 43 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm 72
10
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF (SKF 2001) 73
Figura 45 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento (SKF 2001) 74
Figura 46 Grafica de convergencia de malla 76
Figura 46 Factor de seguridad porta masas 77
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior 78
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior 79
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera 80
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks) 81
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas 82
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado 83
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero 84
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper 85
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero 85
11
LISTA DE TABLAS paacuteg
Tabla 1 Tipos de muelle 24
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019) 30
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo 32
Tabla 4 Componentes de direccioacuten (Stone amp Ball 2004) 36
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera 47
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera 48
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones 72
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001) 75
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico 83
12
LISTA DE ANEXOS paacuteg
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA 90
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera) 92
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF 93
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal 95
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal 97
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 100
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 101
Anexo H Tijera superior delantera 102
Anexo I Tijera inferior delantera 103
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje 104
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1 105
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2 106
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3 107
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4 108
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 109
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 110
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6 111
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7 112
13
RESUMEN
Se llevoacute a cabo para el centro ASTIN perteneciente al SENA el proyecto de disentildeo del sistema de suspensioacuten para el vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza bajo una metodologiacutea de disentildeo mecaacutenico la cual permitioacute obtener soluciones acertadas dentro de la gama de opciones dado por los diferentes elementos mecaacutenicos diversas alternativas de materiales y manufactura existentes en el mercado mediante matrices de seleccioacuten Dicho proceso se culminoacute junto al doctor y jefe del equipo de disentildeo Bairo Vera el cual dio la uacuteltima palabra en cada una de las fases de disentildeo tambieacuten se tuvo en cuenta la experiencia del equipo en la construccioacuten de vehiacuteculos similares con el fin de asegurar la viabilidad y funcionalidad bajo los conocimientos teacutecnicos probados en la praacutectica
El objetivo especiacutefico del proyecto consistioacute en la aplicacioacuten del disentildeo mecaacutenico intensivo mediante el uso de la teoriacutea y herramientas computacionales para la generacioacuten de un disentildeo al detalle viable el cual se optimizoacute topoloacutegicamente para cada uno de los componentes de maacutes relevancia en el sistema a la vez que se cumplioacute con normas teacutecnicas establecidas para la competencia ldquoCarrera Solar ATACAMArdquo que seraacute el fin uacuteltimo
Palabras clave Sistema de suspensioacuten vehiacuteculo biplaza eleacutectrico disentildeo mecaacutenico herramientas computacionales carrera solar
14
ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
15
INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
16
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
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2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
18
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
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4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
20
El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
21
5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
22
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
23
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
24
Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
25
oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
26
La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
27
Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
28
Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
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para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
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Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
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Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
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Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
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Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
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Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
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Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
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823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
58
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
59
La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
60
Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
64
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
REFERENCIAS
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90
ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
91
Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
10
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF (SKF 2001) 73
Figura 45 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento (SKF 2001) 74
Figura 46 Grafica de convergencia de malla 76
Figura 46 Factor de seguridad porta masas 77
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior 78
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior 79
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera 80
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks) 81
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas 82
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado 83
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero 84
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper 85
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero 85
11
LISTA DE TABLAS paacuteg
Tabla 1 Tipos de muelle 24
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019) 30
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo 32
Tabla 4 Componentes de direccioacuten (Stone amp Ball 2004) 36
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera 47
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera 48
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones 72
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001) 75
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico 83
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LISTA DE ANEXOS paacuteg
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA 90
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera) 92
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF 93
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal 95
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal 97
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 100
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 101
Anexo H Tijera superior delantera 102
Anexo I Tijera inferior delantera 103
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje 104
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1 105
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2 106
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3 107
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4 108
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 109
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 110
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6 111
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7 112
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RESUMEN
Se llevoacute a cabo para el centro ASTIN perteneciente al SENA el proyecto de disentildeo del sistema de suspensioacuten para el vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza bajo una metodologiacutea de disentildeo mecaacutenico la cual permitioacute obtener soluciones acertadas dentro de la gama de opciones dado por los diferentes elementos mecaacutenicos diversas alternativas de materiales y manufactura existentes en el mercado mediante matrices de seleccioacuten Dicho proceso se culminoacute junto al doctor y jefe del equipo de disentildeo Bairo Vera el cual dio la uacuteltima palabra en cada una de las fases de disentildeo tambieacuten se tuvo en cuenta la experiencia del equipo en la construccioacuten de vehiacuteculos similares con el fin de asegurar la viabilidad y funcionalidad bajo los conocimientos teacutecnicos probados en la praacutectica
El objetivo especiacutefico del proyecto consistioacute en la aplicacioacuten del disentildeo mecaacutenico intensivo mediante el uso de la teoriacutea y herramientas computacionales para la generacioacuten de un disentildeo al detalle viable el cual se optimizoacute topoloacutegicamente para cada uno de los componentes de maacutes relevancia en el sistema a la vez que se cumplioacute con normas teacutecnicas establecidas para la competencia ldquoCarrera Solar ATACAMArdquo que seraacute el fin uacuteltimo
Palabras clave Sistema de suspensioacuten vehiacuteculo biplaza eleacutectrico disentildeo mecaacutenico herramientas computacionales carrera solar
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ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
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INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
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2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
18
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
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4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
20
El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
21
5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
22
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
23
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
24
Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
25
oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
26
La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
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para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
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Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
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Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
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Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
56
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
57
823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
58
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
59
La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
60
Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
64
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
REFERENCIAS
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ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
91
Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
11
LISTA DE TABLAS paacuteg
Tabla 1 Tipos de muelle 24
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019) 30
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo 32
Tabla 4 Componentes de direccioacuten (Stone amp Ball 2004) 36
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera 47
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera 48
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones 72
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001) 75
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico 83
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LISTA DE ANEXOS paacuteg
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA 90
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera) 92
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF 93
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal 95
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal 97
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 100
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 101
Anexo H Tijera superior delantera 102
Anexo I Tijera inferior delantera 103
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje 104
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1 105
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2 106
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3 107
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4 108
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 109
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 110
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6 111
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7 112
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RESUMEN
Se llevoacute a cabo para el centro ASTIN perteneciente al SENA el proyecto de disentildeo del sistema de suspensioacuten para el vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza bajo una metodologiacutea de disentildeo mecaacutenico la cual permitioacute obtener soluciones acertadas dentro de la gama de opciones dado por los diferentes elementos mecaacutenicos diversas alternativas de materiales y manufactura existentes en el mercado mediante matrices de seleccioacuten Dicho proceso se culminoacute junto al doctor y jefe del equipo de disentildeo Bairo Vera el cual dio la uacuteltima palabra en cada una de las fases de disentildeo tambieacuten se tuvo en cuenta la experiencia del equipo en la construccioacuten de vehiacuteculos similares con el fin de asegurar la viabilidad y funcionalidad bajo los conocimientos teacutecnicos probados en la praacutectica
El objetivo especiacutefico del proyecto consistioacute en la aplicacioacuten del disentildeo mecaacutenico intensivo mediante el uso de la teoriacutea y herramientas computacionales para la generacioacuten de un disentildeo al detalle viable el cual se optimizoacute topoloacutegicamente para cada uno de los componentes de maacutes relevancia en el sistema a la vez que se cumplioacute con normas teacutecnicas establecidas para la competencia ldquoCarrera Solar ATACAMArdquo que seraacute el fin uacuteltimo
Palabras clave Sistema de suspensioacuten vehiacuteculo biplaza eleacutectrico disentildeo mecaacutenico herramientas computacionales carrera solar
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ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
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INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
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2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
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3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
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4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
20
El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
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5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
22
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
23
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
24
Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
25
oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
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para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
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Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
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Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
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Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
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Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
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Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
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Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
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823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
58
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
59
La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
60
Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
64
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
REFERENCIAS
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90
ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
91
Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
12
LISTA DE ANEXOS paacuteg
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA 90
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera) 92
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF 93
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal 95
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal 97
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 100
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 101
Anexo H Tijera superior delantera 102
Anexo I Tijera inferior delantera 103
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje 104
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1 105
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2 106
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3 107
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4 108
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 109
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5 110
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6 111
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7 112
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RESUMEN
Se llevoacute a cabo para el centro ASTIN perteneciente al SENA el proyecto de disentildeo del sistema de suspensioacuten para el vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza bajo una metodologiacutea de disentildeo mecaacutenico la cual permitioacute obtener soluciones acertadas dentro de la gama de opciones dado por los diferentes elementos mecaacutenicos diversas alternativas de materiales y manufactura existentes en el mercado mediante matrices de seleccioacuten Dicho proceso se culminoacute junto al doctor y jefe del equipo de disentildeo Bairo Vera el cual dio la uacuteltima palabra en cada una de las fases de disentildeo tambieacuten se tuvo en cuenta la experiencia del equipo en la construccioacuten de vehiacuteculos similares con el fin de asegurar la viabilidad y funcionalidad bajo los conocimientos teacutecnicos probados en la praacutectica
El objetivo especiacutefico del proyecto consistioacute en la aplicacioacuten del disentildeo mecaacutenico intensivo mediante el uso de la teoriacutea y herramientas computacionales para la generacioacuten de un disentildeo al detalle viable el cual se optimizoacute topoloacutegicamente para cada uno de los componentes de maacutes relevancia en el sistema a la vez que se cumplioacute con normas teacutecnicas establecidas para la competencia ldquoCarrera Solar ATACAMArdquo que seraacute el fin uacuteltimo
Palabras clave Sistema de suspensioacuten vehiacuteculo biplaza eleacutectrico disentildeo mecaacutenico herramientas computacionales carrera solar
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ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
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INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
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2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
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3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
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4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
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El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
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5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
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Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
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Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
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Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
34
Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
47
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
49
para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
50
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
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Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
54
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
56
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
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823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
58
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
59
La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
60
Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
64
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
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90
ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
91
Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
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RESUMEN
Se llevoacute a cabo para el centro ASTIN perteneciente al SENA el proyecto de disentildeo del sistema de suspensioacuten para el vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza bajo una metodologiacutea de disentildeo mecaacutenico la cual permitioacute obtener soluciones acertadas dentro de la gama de opciones dado por los diferentes elementos mecaacutenicos diversas alternativas de materiales y manufactura existentes en el mercado mediante matrices de seleccioacuten Dicho proceso se culminoacute junto al doctor y jefe del equipo de disentildeo Bairo Vera el cual dio la uacuteltima palabra en cada una de las fases de disentildeo tambieacuten se tuvo en cuenta la experiencia del equipo en la construccioacuten de vehiacuteculos similares con el fin de asegurar la viabilidad y funcionalidad bajo los conocimientos teacutecnicos probados en la praacutectica
El objetivo especiacutefico del proyecto consistioacute en la aplicacioacuten del disentildeo mecaacutenico intensivo mediante el uso de la teoriacutea y herramientas computacionales para la generacioacuten de un disentildeo al detalle viable el cual se optimizoacute topoloacutegicamente para cada uno de los componentes de maacutes relevancia en el sistema a la vez que se cumplioacute con normas teacutecnicas establecidas para la competencia ldquoCarrera Solar ATACAMArdquo que seraacute el fin uacuteltimo
Palabras clave Sistema de suspensioacuten vehiacuteculo biplaza eleacutectrico disentildeo mecaacutenico herramientas computacionales carrera solar
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ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
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INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
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2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
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3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
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4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
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El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
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5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
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Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
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Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
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Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
31
Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
34
Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
35
Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
49
para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
50
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
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Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
54
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
56
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
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823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
58
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
59
La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
60
Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
64
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
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90
ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
91
Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
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ABSTRACT
The design project of the suspension system for the two-seater electric vehicle was carried out for the ASTIN center belonging to the SENA under a mechanical design methodology which allowed to obtain correct solutions within the range of options given by the different mechanical elements various alternatives of materials and manufacturing existing in the market through selection matrices This process was completed with the doctor and head of the design team Bairo Vera who gave the final word in each of the design phases The experience of the team in the construction of similar vehicles was also taken into account in order to ensure viability and functionality under the technical knowledge tested in practice
The specific objective of the project consisted in the application of intensive mechanical design through the use of theory and computational tools for the generation of a viable design detail which was topologically optimized for each of the most relevant components in the system the time that technical standards established for the Carrera Solar ATACAMA competition were met which will be the ultimate goal
Keywords Suspension system Two-seater vehicle Electrical Mechanical design Computational tools Solar race
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INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
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2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
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3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
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4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
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El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
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5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
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Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
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Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
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Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
31
Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
34
Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
35
Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
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para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
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Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
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Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
54
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
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Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
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823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
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Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
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La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
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Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
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Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
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Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
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9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
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ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
91
Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
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Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
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Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
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Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
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Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
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INTRODUCCIOacuteN
El Centro Nacional de Asistencia Teacutecnica a la Industria (ASTIN) es uno de los muchos sectores especializados con los que cuenta el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) el cual se fundoacute en el antildeo 1975 luego del convenio con el GTZ (Alemania) Su trabajo consiste en el desarrollo de liacuteneas tecnoloacutegicas enfocadas al disentildeo materiales y procesos afines a la transformacioacuten de poliacutemeros y metales para el servicio de la industria Como parte del desarrollo tecnoloacutegico e investigativo se encuentran trabajando en la fabricacioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza eleacutectrico cuyas bateriacuteas seraacuten alimentadas usando paneles solares y generadores Lo anterior es una excusa que busca incentivar el uso de energiacuteas limpias ofreciendo un medio de transporte funcional y sostenible a largo plazo para el sector automotriz
Dicho vehiacuteculo se ha proyectado para que cumpla con la normativa de la carrera solar ATACAMA la cual es celebra en Chile (httpwwwcarrerasolarcomesinicio) en la que participaraacute en la categoriacutea biplaza-hibrida y demostraraacute su efectividad en rutas de alta exigencia Dentro de los sistemas que componen el vehiacuteculo se ha seleccionado la suspensioacuten para su disentildeo y optimizacioacuten de manera que se obtenga el mejor desempentildeo y se garantiza la integridad de sus ocupantes durante la carrera
Histoacutericamente los sistemas de suspensioacuten en los diversos vehiacuteculos terrestres iniciaron su desarrollo en busca del tan anhelado confort en medio de las carreteras empedradas surcadas por las carrosas en eacutepocas medievales actualmente dichos sistemas no solo tienen como objetivo absorber y disipar la energiacutea producto del contacto de las ruedas con las irregularidades del terreno si no la de garantizar su estabilizacioacuten en el menor tiempo posible brindando traccioacuten al vehiacuteculo en todo momento frente a las altas demandas actuales debido a las complejas geometriacuteas de las viacuteas y las altas velocidades que se pueden llegar a desarrollar mientras que soporta robustamente las cargas producidas Es aquiacute donde dicho sistema cobra gran valor en los vehiacuteculos actuales pues sus funciones son vitales para la seguridad de los ocupantes
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
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2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
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3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
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4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
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El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
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5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
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Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
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Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
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Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
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para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
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Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
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Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
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Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
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Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
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Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
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823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
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Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
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La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
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Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
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Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
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Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
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9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
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119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
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Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
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95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
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Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
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Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
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Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
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ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
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9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
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Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
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Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
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Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
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10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
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ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
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Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
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Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
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Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La finalidad de un vehiacuteculo es el transporte de personas o mercanciacuteas por tanto entre maacutes eficiente sea un trayecto en teacuterminos de confort mayores seraacuten las distancias recorridas Para este caso el sistema de suspensioacuten desempentildea un papel de vital importancia ya que es el encargado de absorber las constantes perturbaciones de las ruedas del vehiacuteculo frente a las irregularidades del camino ademaacutes de brindar estabilidad y traccioacuten ya que parte de su funcioacuten consiste en garantizar que todas las ruedas se encuentren en contacto con el suelo (Rodriacuteguez 2004) Por tanto el proceso de disentildeo del sistema es de vital importancia para el correcto desempentildeo del vehiacuteculo y el confort del piloto
El centro ASTIN a finales del 2017 dio inicio al proyecto ATACAMA que consiste en la elaboracioacuten de un vehiacuteculo tipo biplaza alimentado uacutenicamente por energiacutea eleacutectrica proveniente de una serie de bateriacuteas que a su vez estaacuten alimentadas por paneles solares y generadores en su interior Su finalidad es ser puesto a prueba en la carrera solar en Chile la cual lleva el mismo nombre del proyecto en ella deberaacute brindar las mejores prestaciones para obtener excelentes resultados para esto se requiere que cada sistema sea desarrollado a medida con el fin de cumplir la normativa de la competencia y se adapte a la perfeccioacuten con las condiciones del terreno donde se pondraacute a prueba
Con la finalidad de avanzar en el sistema del vehiacuteculo se debe priorizar el disentildeo de la suspensioacuten con base a las directrices impuestas por esteacute se disentildearaacuten y acoplaraacuten diversos sistemas como el de frenos chasis y direccioacuten
Con base en lo anterior se plantea el siguiente problema iquestCoacutemo disentildear un sistema de suspensioacuten que permita mejorar el rendimiento y confort en pista manteniendo el menor peso posible
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2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
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3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
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4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
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El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
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5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
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Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
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Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
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Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
43
7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
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para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
50
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
52
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
54
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
56
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
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823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
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Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
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La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
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Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
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9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
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Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
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ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
91
Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
17
2 JUSTIFICACIOacuteN
Este proyecto tiene como razoacuten de ser el compromiso del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN con la innovacioacuten y aporte a la sociedad contribuyendo al desarrollo nacional del creciente mercado de autos impulsados por energiacuteas limpias incentivando su uso y a la industria para su elaboracioacuten a largo plazo Ademaacutes se incentiva a la creacioacuten de conocimiento en proyectos de alta ingenieriacutea fortaleciendo las competencias asociadas a su desarrollo y posicionando los grupos de investigacioacuten que intervengan en el proceso
Un adecuado disentildeo del sistema del vehiacuteculo es importante porque va a generar la comodidad necesaria durante la marcha a los pasajeros evitando que las oscilaciones del terreno se transmitan a la carroceriacutea Ademaacutes contribuye a la estabilidad del vehiacuteculo manteniendo en contacto las ruedas con el terreno mejorando la adherencia y la respuesta de la direccioacuten tal como se afirma en (Mundo del Motor 2018) Razoacuten por la cual es de vital importancia el caacutelculo de dicho sistema en todo tipo de vehiacuteculo asimismo su estudio y desarrollo contribuiraacute al crecimiento tecnoloacutegico en los posteriores sistemas de suspensioacuten pues dejaraacute aportes en su disentildeo haciendo eacutenfasis en la dinaacutemica y optimizacioacuten que finalmente seraacute de utilidad para la industria nacional
Con el fin de desarrollar el proyecto del vehiacuteculo hibrido es necesario la intervencioacuten de un ingeniero mecaacutenico con la capacidad de aplicar los conceptos teoacutericos y herramientas computacionales en el disentildeo del sistema de suspensioacuten Lo anterior con el fin de presentar una alternativa de disentildeo para la suspensioacuten del vehiacuteculo eleacutectrico tipo biplaza totalmente funcional aportando conocimiento de alta ingenieriacutea y ponieacutendolo a disposicioacuten de la industria manteniendo los criterios cientiacutefico ambientales que caracterizan a un ingeniero de la Universidad Autoacutenoma de Occidente
18
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
19
4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
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El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
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5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
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Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
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Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
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Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
47
Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
48
y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
49
para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
50
Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
51
821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
52
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
54
Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
56
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
57
823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
58
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
59
La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
60
Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
64
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
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ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
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9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
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Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
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ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
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Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
18
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear el sistema de suspensioacuten de un vehiacuteculo eleacutectrico alimentado por paneles solares y generadores tipo biplaza
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
Aplicar el proceso de disentildeo mecaacutenico en todo el proceso de disentildeo del sistema de suspensioacuten
Hacer uso intensivo de las herramientas computacionales (herramientas CAD-CAE) en disentildeo del sistema de suspensioacuten
Realizar un proceso de optimizacioacuten topoloacutegica a los componentes maacutes importantes del sistema
Cumplir con las normas teacutecnicas definidas para tal efecto la competencia ATACAMA
19
4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
20
El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
21
5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
22
Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
23
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
24
Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
25
oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
26
La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
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Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
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Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
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conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
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dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
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para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
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Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
52
Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
53
Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
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Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
56
Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
57
823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
58
Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
59
La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
60
Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
63
Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
64
9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
65
119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
REFERENCIAS
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90
ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
91
Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7
19
4 ANTECEDENTES
Las historias de los sistemas de suspensioacuten se remontan a los carruajes reales en eacutepocas en que las viacuteas de comunicacioacuten generalmente eran caminos de herradura o en algunos casos estaban empedradas (Ministerio del ejeacutercito y la fuerza aeacuterea1970) Esto para sus ocupantes era una tortura pues los trayectos podiacutean tardardiacuteas y por maacutes almohadas o superficies acolchadas que se instalaran en el interiorel constante impacto de las ruedas con las irregularidades del camino seguiacuteacausando malestar Es en la segunda mitad del siglo XVI cuando se plantea elprimer sistema de suspensioacuten el cual consistiacutea en correas de cuero que aislaban lacarroceriacutea del contacto directo con las ruedas dicho sistema aunque no fue el idealsi cumplioacute con su funcioacuten de absorber parte de la energiacutea producto de lasirregularidades del camino
El primer amortiguador de impacto equipado en automoacutevil lo hizo Hartford a un auto Oldmobile en 1899 basado en el amortiguador para bicicletas instalado por el franceacutes JMM Truffault un antildeo antes (Turrini 2013) Este amortiguador consistiacutea en un par de palancas abisagradas entre siacute con una almohadilla de caucho en los pivotes la cual se fijaba al bastidor mientras el otro brazo se atornillaba al muelle de hojas
Con el paso de los antildeos se siguieron desarrollando diversos tipos de sistemas de suspensioacuten de acuerdo al tipo de vehiacuteculo y exigencias que desencadenaron en lo que se tiene hoy en diacutea debido a las innovaciones en sistemas materiales y mecanismos de control en tiempo real Una de los sectores que maacutes han impulsado el desarrollo y el estudio de dichos sistemas son las competencias automoviliacutesticas La Foacutermula SAE (wwwfsaeonlinecom 2018) es una competencia estudiantil que inicioacute en la Universidad de Texas en el antildeo de 1980 con el fin de incentivar la sana competencia y el desarrollo en tecnologiacuteas para la industria automoviliacutestica ademaacutes de aproximar a sus participantes a los mismos estaacutendares y exigencias de la Foacutermula UNO (wwwfsaeonlinecom 2018) A partir del desarrollo de los distintos automoacuteviles por parte de diferentes universidades han surgido diversos estudios para los sistemas de suspensioacuten Es el caso del estudio adelantado sobre el uso de materiales compuestos para aliviar peso en los vehiacuteculos aumentando su desempentildeoacute en competencia reduciendo tiempos de manufactura mediante el uso de compuestos de fibras de carbono (Branco 2017)
Los estudios en suspensiones han arrojado que el mejor desempentildeo es dado por las suspensiones de tipo activo Sin embargo se encontroacute que para una suspensioacuten semiactiva se puede trabajar en los acumuladores de liacutequido hidraacuteulico con el fin de garantizar la estabilidad del vehiacuteculo en cualquier situacioacuten en pista sin elevar los costos de fabricacioacuten y adaptacioacuten frente a los usuales sistemas de tipo pasivo (Abd-
20
El-Tawwab 2002) De igual forma se hace uso de una variante para sistemas de este tipo de uso comercial mediante la implementacioacuten de un sistema que han denominado Fuzzy Logic optimizado el cual es de faacutecil adaptacioacuten y lo que pretende es dar tres opciones al usuario (Confort Normal y Deportes) para que se ajuste lo mejor posible al terreno transitado (Kaldas 2015)
Siendo de gran importancia tecnoloacutegica para la industria todos los desarrollos logrados a nivel nacional se ha incentivado esta misma metodologiacutea por parte de SENA y se dio inicio en el antildeo 2010 maacutes especiacuteficamente por parte del Centro de Asistencia Teacutecnica a la Industria ASTIN El Centro de Disentildeo Tecnoloacutegico Industrial CDTI el Centro de Electroacutenica y Automatizacioacuten Industrial CEAI iniciaron el desarrollo de un vehiacuteculo de combustioacuten interna tipo monoplaza para participar en el evento llamado Formula SENA el cual fue llevado a cabo en el autoacutedromo de Tocancipaacute Para el 2013 el SENA como parte de su propoacutesito de conservacioacuten del medio ambiente e influenciado por su factor innovador y las tendencias mundiales propone una nueva versioacuten llamada formula SENA eco la cual reemplazariacutea los motores de combustioacuten interna por eleacutectricos alimentados por bateriacuteas de todo el proceso de desarrollo nace la escuderiacutea I-CAR RACING (comunicasenaeduco 2013)
ldquoEl doctor Vera declaroacute que en la construccioacuten de los dos vehiacuteculos 2010 y 2013 se obtuvo nuevo conocimiento sobre el sistema de suspensioacuten En este caso se demostroacute el gran desempentildeo del acero AISI 4130 gracias a su alta resistencia y baja aleacioacuten lo que otorga una alta relacioacuten resistencia peso Pese al desprendimiento de una de las tijeras delanteras mientras se realizaba una curva de prueba en el circuito se tomaron medidas restrictivas de configuracioacuten y meacutetodos de enfriamiento por soldadura para dichas secciones pues se determinoacute que la ruptura se produjo por excesivo calor en una zona puntal con una alta tasa de enfriamientordquo (Vera 2018)
21
5 MARCO TEOacuteRICO
51 SUSPENSIOacuteN
Desde los oriacutegenes del automoacutevil y con el desarrollo de los medios de transporte y su continua evolucioacuten se detectoacute la necesidad de aislar el compartimiento destinado al transporte de pasajeros y mercanciacuteas de las irregularidades de la calzada En esta direccioacuten desde un carro tirado por animales hasta un gran turismo dotado de sistemas de suspensioacuten activa existe todo un mundo de elementos elaacutesticos y amortiguantes con los que se intenta conseguir un equilibrio entre la estabilidad y confort cuya misioacuten es hacer la conduccioacuten maacutes segura y coacutemoda Por tanto es sistema mecaacutenico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre el vehiacuteculo (Mezquita 2001)
511 Masa suspendida y no suspendida
La masa suspendida hace referencia a todos los elementos del vehiacuteculo que se encuentran soportados por la suspensioacuten esto incluye el chasis pilotos motor pasajeros entre otros mientras que la no suspendida hace referencia a los elementos no amortiguado tales como las ruedas porta masas rodamiento amortiguadores y frenos
La masa no suspendida juega un papel de gran importancia ya que influye en la capacidad que tienen las ruedas para seguir las irregularidades del camino y en el aislamiento de vibraciones Dichas imperfecciones dan lugar a compresiones en la llanta que se trasmiten a la masa no suspendida reaccionando estaacute en el sentido opuesto con una fuerza de igual magnitud la cual es inversamente proporcional a su peso Es por esto que las ruedas ligeras tienen la capacidad de actuar en menos tiempo y tendraacute maacutes agarre sobre la superficie mientras que una muy pesada se demoraraacute en reaccionar ante la perturbacioacuten al no absorber las vibraciones por tanto los movimientos son transferidos al chasis
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Figura 1 Sistema de suspensioacuten de automoacutevil
De ldquoSuspensioacutenrdquo por D Megan 2014p 3 Aficionados a la Mecaacutenica Recuperado de httpwwwaficionadosalamecanicanetsuspension2htm
512 Clasificacioacuten de la suspensioacuten seguacuten su ajuste
bull Suspensioacuten Pasiva La suspensioacuten pasiva se caracteriza por no utilizaractuadores y modificadores de coeficiente de amortiguamiento en el sistema desuspensioacuten esas suspensiones utilizan los resortes para almacenar la energiacutea ydisiparla mediante los amortiguadores un modelo de esta se detalla en la figura 2
bull Suspensioacuten semi-activa La suspensioacuten semi-activa se caracteriza por teneramortiguadores que modifican su coeficiente de amortiguamiento mediante uncontrolador el cual regula en la mayoriacutea de los sistemas las frecuencias bajas y lasfrecuencias altas se disipan con los elementos pasivos
bull Suspensioacuten activa La suspensioacuten activa almacena energiacutea la disipa e introduceenergiacutea a traveacutes de actuadores que son controlados por sensores y controladoresLa fuerza de control se puede ejercer mediante actuadores electro-hidraacuteulicosneumaacuteticos y electromagneacuteticos el esquema de funcionamiento se detalla en lafigura 2
23
Figura 2 Clasificacioacuten de los sistemas de suspensioacuten
De ldquoLos sistemas de suspensioacuten activa y semiactiva Una revisioacutenrdquo por J Ezeta 2013 Revista Iberoamericana de automaacutetica e informaacutetica industrial p 1-12
513 Componentes de un sistema de suspensioacuten
En los distintos sistemas de suspensioacuten los componentes primarios son los muelles y los amortiguadores debido a sus variaciones en cada tipo de sistema pueden variar el tipo y nuacutemero de componentes como se detalla a continuacioacuten
5131 Muelle
Los muelles o resortes son elementos flexibles que facilitan el movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas Son los encargados de sostener la masa suspendida del vehiacuteculo absorber las cargas dinaacutemicas y las perturbaciones del camino (Popa 2005)
En la tabla 1 se describen algunos los tipos de muelle y se describe su comportamiento seguacuten su disentildeo
24
Tabla 1 Tipos de muelle
Tipos de mulles Muelles de hojas Hecho de un solo resorte eliacuteptico con varias hojas maacutes pequentildeas unidas con abrazaderas y un perno central evitaacutendolo el desplazamiento individual de las hojas estos muelles soportan grandes cargas
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Barra a torsioacuten Consiste en una varilla circular hecha de acero para resortes Uno de los extremos de la varilla estaacute anclada al bastidor La barra de torsioacuten tiene muy poca amortiguacioacuten por lo que es necesario usarse en conjunto con amortiguadores su principal desventaja es el espacio axial necesario para su instalacioacuten
(Technical Manual TM 9-8000 1985)
Muelle en espiras Los resortes helicoidales son barras de torsioacuten que se envuelven en una bobina Igual que la barra de torsioacuten los resortes tienen poca amortiguacioacuten por lo cual requieren el uso adicional de amortiguadores Requieren brazos para limitar la suspensioacuten longitudinal y lateral
(Krutz Schueller amp Claar 1994)
Nota De Machine Design for Mobile and Industrial Applications Society of Automotive Engineers De Krutz GW Schueller JK Claar PW 1994 httpsengineeringpurdueedu~krutzresume2pdf
5132 Amortiguador
Si se somete un vehiacuteculo a impactos de la superficie de la carretera los muelles de la suspensioacuten absorberaacuten los golpes Sin embargo como estos muelles tienen la caracteriacutestica de seguir oscilando y dicha oscilacioacuten suele tardar en parar la conduccioacuten no es coacutemoda La misioacuten de los amortiguadores es absorber esta
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oscilacioacuten Los amortiguadores no soacutelo aumentan la comodidad en la conduccioacuten sino que tambieacuten proporcionan a los neumaacuteticos mejor agarre en carretera y aumentan la estabilidad de la direccioacuten en la figura 7 se aprecia la disminucioacuten de la oscilacioacuten del muelle despueacutes de tener un estiacutemulo por absorcioacuten de energiacutea de la carretera
Figura 3 Grafico de amortiguacioacuten
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5133 Base del funcionamiento
En los automoacuteviles se utilizan amortiguadores telescoacutepicos que emplean aceite como medio de difusioacuten de la energiacutea absorbida durante el impacto En este tipo de amortiguador la fuerza de amortiguacioacuten se genera por la resistencia del liacutequido provocada al forzar su paso a traveacutes de un orificio (agujero pequentildeo) mediante el movimiento de un pistoacuten
Fuerza de amortiguacioacuten
Cuanto mayor sea la fuerza de amortiguacioacuten menos se tardaraacute en amortiguar las oscilaciones de la carroceriacutea pero tambieacuten se notaraacuten maacutes las sacudidas del efecto de amortiguacioacuten La fuerza de amortiguacioacuten tambieacuten cambia con la velocidad del pistoacuten Hay varios tipos de amortiguador que se diferencian por coacutemo cambia la fuerza de amortiguacioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas de la fuerza de amortiguacioacuten son que
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La fuerza de amortiguacioacuten es proporcional a la velocidad del pistoacuten La fuerza amortiguacioacuten tiene dos niveles con respecto a la velocidad del pistoacuten La fuerza de amortiguacioacuten variacutea en funcioacuten del patroacuten de conduccioacuten En la mayoriacutea de los vehiacuteculos se utilizan los sistemas de suspensioacuten con fuerzas de amortiguacioacuten de tipo 1 y 2 Los sistemas de tipo 3 se utilizan en vehiacuteculos con suspensioacuten modulada electroacutenicamente (EMS Electronic Modulated Suspensioacuten) En la figura 8 se describen las graacuteficas del comportamiento de la fuerza de amortiguamiento en funcioacuten de la velocidad del vehiacuteculo bajo cargas de compresioacuten y expansioacuten ademaacutes de las curvas de comportamiento de las diferentes clases de suspensioacuten que se pueden encontrar
Figura 4 Graacuteficos y principio de funcionamiento
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5134 Clasificacioacuten de los amortiguadores
Los amortiguadores se clasifican en las categoriacuteas descritas en la figura 9
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Figura 5 Clasificacioacuten de los amortiguadores
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
Los amortiguadores que se utilizan en los modelos actuales tienen una estructura de tubos gemelos o mono tubo y un funcionamiento de accioacuten muacuteltiple como se observa en la figura 10 Recientemente se han empezado a utilizar muchos amortiguadores llenos de gas de los tipos anteriores
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Figura 6 Amortiguador Mono Tubo y de Tubos Gemelos
De Sistema de Suspensioacuten por Toyota Motor Corporation 2003 Japon Overseas Service Division Manual de servicio Derechos de autor 2003 por Toyota Motor Corporation
5135 Rotulas
Las rotulas son componentes mecaacutenicos estandarizados y listos para ser montados que se auto alinean y permiten la ejecucioacuten de movimientos de alineacioacuten multidireccional El aro interior tiene un diaacutemetro exterior convexo y el aro exterior presenta la correspondiente superficie interior coacutencava mostrado eng la figura 12 Las fuerzas que actuacutean en la roacutetula pueden ser estaacuteticas o bien producirse cuando la roacutetula realiza movimientos oscilantes de inclinacioacuten o rotacioacuten a velocidades relativamente lentas Las ventajas inherentes en el disentildeo de las rotulas comportan que en la praacutectica Los errores de alineacioacuten o desalineacioacuten angular no son influyentes
La deformacioacuten durante el funcionamiento de los componentes que la rodean no la afectan
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No producen tensiones en las aristas ni exceso de tensioacuten en loscomponentes adyacentes
Se aumenta la fiabilidad de funcionamiento de las construcciones ligeras
Unas tolerancias de produccioacuten razonablemente amplias permiten el usode construcciones soldadas que favorecen los costes
Se utilizan principalmente en los extremos de un pistoacuten o en cilindros hidraacuteulicos neumaacuteticos para unir el cilindro a los componentes asociados y para la aplicacioacuten de rotulas en la suspensioacuten de vehiacuteculos livianos es ampliamente usada la roacutetula de ldquoCabeza de Articulacioacutenrdquo la cual consta de una cabeza de biela con vaacutestago integral formando un soporte y una rotula radial estaacutendar
Figura 7 Cabeza de articulacioacuten
De ldquoRotulasrdquo por SKF Soltecna 2001Recueprado (httpwwwsoltecnacomdoces-rotulas-skfpdf) Derechos de autor 2001
5136 Neumaacuteticos
Los neumaacuteticos son valiosos por varias razones Aparte de que soportan el peso del auto lo protegen de los baches y demaacutes irregularidades del pavimento pero lo maacutes importante es que hacen posible la traccioacuten permiten acelerar dirigir frenar y permanecer en curso dependiendo del estado de la carretera Sin embargo es tan solo una pequentildea aacuterea del neumaacutetico maacutes o menos del tamantildeo de una postal la que hace contacto con el suelo en un momento dado
Dentro de las muchas clasificaciones que pueden recibir los neumaacuteticos se encuentra su estructura ya que de acuerdo a los elementos empleados y su distribucioacuten geomeacutetrica en el momento de su elaboracioacuten la goma seraacute dotada de
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propiedades mecaacutenicas que se evidenciaraacuten en el momento de la conduccioacuten y seraacuten favorables para cierto tipo de aplicaciones mostradas en la tabla 2
Tabla 2 Tipos de neumaacuteticos (LASSA 2019)
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura diagonal cruzada
La carcasa del neumaacutetico diagonal estaacute compuesta por varias capas textiles orientadas de manera oblicua de taloacuten a taloacuten de maneras alternas las capas dependeraacuten del tamantildeo y cargas a soportar del neumaacutetico cada capa se coloca de manera opuesta a la anterior
Estructura diagonal cinturada
Es la misma estructura del neumaacutetico diagonal cruzada con capas adicionales de material textil por debajo del aacuterea de pisada Estas capas adicionales de denominan cinturoacuten y al igual que las demaacutes capas estaacuten configuradas de forma cruzada
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Tabla 2 (Continuacioacuten)
5137 Porta mazas La porta mazas tambieacuten conocido como porta mangueta es un elemento esencial en la interaccioacuten de los sistemas de suspensioacuten frenos y direccioacuten las cuales se unen mediante uniones pernadas Este tambieacuten debe permitir ajustar paraacutemetros de la suspensioacuten como el camber y en su desplazamiento no debe interferir con ninguacuten otro elemento en la figura 18 se muestra una porta mazas ensamblada con el sistema de suspensioacuten y a la rueda del vehiacuteculo
Figura 8 Porta Mangueta
De ldquoMangueta de direccioacutenrdquo por Wikipedia 2019 Recuperado (httpseswikipediaorgwikiMangueta_de_direccioacuten) Licencia Creative Commons Atribucioacuten Compartir 30
Tipos de neumaacuteticos Caracteriacutestica Esquema
Estructura radial Neumaacuteticos con estructura radial con la carcasa por varias capas de cordones dispuestas de taloacuten a taloacuten perpendicularmente a la direccioacuten del neumaacutetico
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Sus funciones y complejidad de este elemento recaen en que las cargas a las que estaacute sometido se producen cuando el vehiacuteculo acelera frena afronta curvas baches y el peso suspendido Es decir en todo momento
52 TIPOS DE SUSPENSIOacuteN
La clasificacioacuten de las suspensiones se divide en riacutegidas e independientes La suspensioacuten riacutegida ha ido desapareciendo de los automoacuteviles de pasajeros para migrar a vehiacuteculos de carga pesada
En la tabla 3 se describen los tipos de suspensiones preliminares que fueron analizados en la seleccioacuten de disentildeo en capiacutetulos posteriores la mitad de las suspensiones pertenecen a carros y la otra mitad pertenecen a sistemas de motocicletas esto se debe a que el vehiacuteculo posee tres ruedas dos en la parte delante y una en la trasera Las suspensiones de motocicletas se adaptan a las necesidades de la rueda trasera puesto que su disentildeo estaacute en funcioacuten de una estructura vertical
Tabla 3 Tipos de suspensioacuten preliminares para disentildeo
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Hotchkingslt Eje de transmisioacuten longitudinal conectado a un diferencial central por juntas de U cuyo eje soacutelido estaacute montado en el bastidor mediante resortes de hoja longitudinalmente
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Multibrazo Las suspensiones de enlace muacuteltiple tienen conexiones de rotula en los extremos de los brazos de control para eliminar las cargas de flexioacuten siendo preferentemente el uso de cuatro enlaces
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esqu
ema
McPherson El sistema de suspensioacuten estaacute conformado por una horquilla(amortiguador) conectado a un brazo de control inferior con el extremo superior del puntal conectado al chasis
Tabla 3(continuacioacuten)
34
Triaacutengulos superpuestos
Unioacuten entre el chasis y la rueda con elementos trasversales colocados en diferentes planos Conformado por do elementos paralelos superpuestos que junto con la rueda y el chasis forman un paralelogramo aproximado que se deforma al recibir el impacto de la rueda
(Km 77 2019)
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Brazo oscilante simple
Estaacute compuesta por un largo tenedor formado por dos brazos de arrastre con dos unidades de amortiguador de resorte una a cada lado inclinados en cierto aacutengulo con respecto al brazo oscilante
Cantileacutever Es una variante de la suspensioacuten de brazo oscilante simple que utiliza un solo amortiguador de resorte
Tabla 3(continuacioacuten)
35
Balanciacuten-chasis
Sistema de suspensioacuten el cual el amortiguador estaacute unido al balanciacuten y se une a las estructuras por un brazo
521 Alineacioacuten de las ruedas
Ademaacutes de permitir que el vehiacuteculo gire el sistema de direccioacuten debe configurarse para permitir que el vehiacuteculo siga el camino en liacutenea recta sin la direccioacuten del
Tipo de suspensioacuten
Caracteriacutesticas Esquema
Balanciacuten-Brazo oscilante
Suspensioacuten donde el brazo oscilante se conecta al chasis y el amortiguador de resorte se conecta a una punta del balanciacuten
Tabla 3(continuacioacuten)
36
conductor Por lo tanto un factor de disentildeo importante para el vehiacuteculo es la alineacioacuten de las ruedas
Dos de los componentes de la alineacioacuten de las ruedas que influyen a mantener la direccioacuten del vehiacuteculo estable son el camber y el caster (tabla 4)
Tabla 4 Componentes de direccioacuten
Inclinacioacuten del eje direccioacuten CAMBER La inclinacioacuten del eje direccional es el aacutengulo desde la vertical definida por el paso de la liacutenea central a traveacutes de las rotulas superiores e inferiores Por lo general la roacutetula superior estaacute maacutes cerca del vehiacuteculo La inclinacioacuten es el aacutengulo de la rueda de giro con respecto a la vertical vista de la parte delantera del vehiacuteculo
CASTER La inclinacioacuten es el aacutengulo del eje vertical como se ve desde el lado la rueda positiva define como el eje de direccioacuten inclinado hacia la parte trasera del vehiacuteculo Con una rueda positiva el parche de contacto del neumaacutetico estaacute detraacutes de la interseccioacuten del eje de direccioacuten y el suelo
53 MEacuteTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El meacutetodo de elementos finitos es un meacutetodo de aproximacioacuten de problema continuos donde el elemento continuo se divide en un numero finito de partes cuyo comportamiento se especifica mediante un numero finito de paraacutemetros asociados a ciertos puntos caracteriacutesticos denominados ldquonodosrdquo la solucioacuten del sistema completo sigue las reglas de los paraacutemetros discretos Las incoacutegnitas del problema
37
dejan ser funciones matemaacuteticas y pasan a ser valores de estas funciones en los nodos (Valero 2004)
Figura 9 Problema estructural
a) modelo idealizado b) modelo de elemento finito De Disentildeo en ingenieriacutea deShingley (Octava edicioacuten p936) por R Budynas 2008 Mexico DF McGraw-Hill Interamericana Derechos de autor 2008 por McGraw-HILLINTERAMERICANA EDITORES SA
54 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica es un tipo de optimizacioacuten parameacutetrica basada en el campo de anaacutelisis estructural de componentes o mecanismo centrada en la reduccioacuten de masa manteniendo la funcionabilidad mecaacutenica de los mismos (Optimizacioacuten Topologica 2011)
Proceso de optimizacioacuten topoloacutegica
Para la optimizacioacuten topoloacutegica se deben tener varios aspectos como lo es las cargas a soportar el material de fabricacioacuten las condiciones de reduccioacuten de material y el meacutetodo de fabricacioacuten de las piezas resultantes (EITA 2019)Pasos Optimizacioacuten Topoloacutegica
Dibujar o Importar geometriacuteaSimplificar la pieza y definir el espacio de disentildeoEstablecer uniones juntas y contactos
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Asignar materialesDefinir los casos de cargaGenerar la optimizacioacutenRefinar la geometriacuteaExportar a CAD o generar STLVerificar rendimientoFabricar
Figura 10 Procedimiento de optimizacioacuten topoloacutegica De ldquoiquestCoacutemo se hace Optimizacioacuten Topoloacutegicardquo por Estudio de Ingenieriacutea amp Tecnologiacutea Avanzada 2018 Recuperado (httpseitaingenieroscomoptimizacion) Derechos de autor 2018
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6 METODOLOGIacuteA
El desarrollo del proyecto vehiacuteculo solar se llevoacute a cabo en las instalaciones del SENA regional Valle ubicada en el barrio Salomia de Santiago de Cali donde se dispone de los recursos computacionales y laboratorios de prueba La metodologiacutea se basoacute en el proceso de disentildeo por Nigel Cross (Cross 2002) el cual consiste en
Meacutetodo de exploracioacuten de situaciones de disentildeo Identificar las condicionesexternas al sistema con las que este deberaacute ser compatible y hacer uso intensivode herramientas como artiacuteculos y libros para proponer alternativas viables yaestudiadas mediante la exploracioacuten de la biblioteca universitaria y sus bases dedatos
Meacutetodos de exploracioacuten de la estructura del problema Incentivar la buacutesqueda deconexiones entre los elementos del planteamiento con el fin de establecerdependencias o independencias entre los elementos del sistema esto seraacute llevadoa cabo mediante matrices de interaccioacuten aacuterbol de objetivos con el fin de obtenerun amplio abanico de posibilidades de disentildeo y ampliar las soluciones potenciales
Meacutetodos de evaluacioacuten Decide coacutemo se va a reconocer el mejor disentildeo queinvolucra la solucioacuten a todas las incoacutegnitas planteadas mediante el uso dediagramas morfoloacutegicos software CAD y CAE los cuales permiten comparar elrendimiento contra los objetivos y analiza el de mayor valor
Se considera pertinente complementar los meacutetodos mencionados con una retroalimentacioacuten para cada etapa del disentildeo con esto se obtendriacutean verificaciones para la compatibilidad con los demaacutes sistemas del vehiacuteculo y de las normativas de la carrera
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61 ETAPAS DEL PROYECTO
Dicha metodologiacutea aplicada al proyecto de disentildeo de la suspensioacuten de un vehiacuteculo solar tipo biplaza se llevoacute en las siguientes etapas
Figura 11 Adaptado de Disentildeo en ingenieriacutea mecaacutenica
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7 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
Se requiere el disentildeo de un sistema de suspensioacuten pasivo para un vehiacuteculo biplaza el cual deberaacute garantizar la estabilidad tanto estaacutetica como dinaacutemica Ademaacutes debe cumplir con la normativa de la competencia solar ATACAMA y requerimientos del equipo de disentildeo
71 DIAGRAMA DE AacuteRBOL
Para tipificar los requerimientos de disentildeo se hace uso de un diagrama de aacuterbol figura 12 en el cual se clarificaraacuten las entradas junto a las salidas tales como caracteriacutesticas y limitaciones acompantildeado de los comportamientos esperado del sistema
Figura 12 Aacuterbol de objetivos
711 Estabilidad
La funcioacuten principal del sistema de suspensioacuten es dar estabilidad al vehiacuteculo frente a las distintas condiciones del terreno mientras absorbe los movimientos bruscos producto de la geometriacutea de la calzada y sus irregularidades garantizando la integridad de los sistemas y el confort de sus tripulantes durante las largas rutas en diversos circuitos Tambieacuten deberaacute garantizar la unioacuten de las ruedas con el chasis ante las condiciones ya descritas para ello se debe tener en cuenta los esfuerzos presentados
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7111 Comportamiento de la suspensioacuten
El sistema deberaacute actuar de forma raacutepida frente a la estabilizacioacuten de las ruedas y absorber dichos impactos en su proceso convirtieacutendolos en calor por lo cual es imprescindible que el sistema tenga un comportamiento del tipo amortiguamiento criacutetico para ello la suspensioacuten contara con muelle y amortiguador
7112 Soporte de cargas
El vehiacuteculo se disentildearaacute para que se desplazase a una velocidad no mayor a 35 kmh con un su peso de 300 kg entre la estructura ocupantes totalmente equipado elementos electroacutenicos junto a sus bateriacuteas paraacutemetros de disentildeo que deben ser tenidos en cuenta para garantizar la integridad todo el conjunto
712 Reglamento ldquoCarrera Solarrdquo
El vehiacuteculo biplaza espera competir en la siguiente carrera solar la cual seraacute llevada a cabo para el antildeo 2020 por tanto sus sistemas deberaacuten estar alineados con la normativa ya estipulada en su paacutegina web (httpwwwcarrerasolarcom) El sistema de suspensioacuten deberaacute cumplir dicha normativa de manera directa o indirectamente la cual se enuncia en los puntos 22 y 23 los cuales se desarrollan a continuacioacuten respectivamente
7121 Dimensiones del vehiacuteculo
Al ser conducido en liacutenea recta el vehiacuteculo hiacutebrido debe quedar inscrito dentro de un prisma rectangular recto de 3500 mm de longitud 2000 mm de ancho y 1600 mm de altura con la base del prisma coincidente con el suelo La altura de los ojos de cada ocupante debe estar a maacutes de 700 mm por encima del suelo El vehiacuteculo hiacutebrido con su capacidad maacutexima de ocupantes debe poder ser conducido en un camino con una caiacuteda vertical de 75 mm sin que ninguna parte del vehiacuteculo a excepcioacuten de las ruedas toque el suelo
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7122 Ruedas
Los vehiacuteculos deben estar soportados por tres o cuatro ruedas Los puntosde contacto de los neumaacuteticos con la superficie deben ser simeacutetricos respecto deleje longitudinal del vehiacuteculo
El vehiacuteculo debe contar con suspensioacuten en cada una de sus ruedas sedebe homologar la rigidez y amortiguacioacuten a un sistema convencional de dobleamortiguacioacuten
Para los vehiacuteculos hiacutebridos el ancho de trocha de las ruedas delanterasyo el ancho de trocha de las ruedas traseras debe ser mayor que la mitad del anchodel vehiacuteculo Se entiende por ancho de trocha la distancia entre los centros de losneumaacuteticos de las ruedas de un mismo eje
713 Geometriacutea optimizada
Por tratarse de un vehiacuteculo para competencia eleacutectrica se hace indispensable que todos sus sistemas esteacuten lo maacutes optimizados posibles pues se requiere el mayor desempentildeo posible sin sacrificar la autonomiacutea brindando al usuario un acceso raacutepido para evaluacioacuten o cambio de elementos de requerirse
7131 Bajo peso
Es de vital importancia el desempentildeo del vehiacuteculo garantizando la seguridad razoacuten por la cual se hace necesaria la optimizacioacuten de cada uno de los componentes ya que para los vehiacuteculos eleacutectricos el factor peso debe ser llevado a su miacutenima expresioacuten para asiacute obtener la mayor autonomiacutea por bateriacutea posible Por ende se deberaacute hacer uso intensivo de software CAD y CAE en las fases de disentildeo que garanticen la confiabilidad de los elementos a implementar optimizando su masa en todo momento
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7132 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
Es indispensable que los elementos implementados en el sistema de suspensioacuten sean accesibles para las diversas inspecciones que se realizan por parte de los jueces e integrantes del equipo que garantizan la integridad de los mismos al inicio y final de la competencia coacutemo tambieacuten es de vital importancia que dichos elementos sean de faacutecil cambio ya sea por desgaste o diversas eventualidades sin tener que recurrir al desmonte de todo el sistema junto con su sustitucioacuten porque se requiera el cambio de una pieza la cual se encuentra soldada y su extraccioacuten es inviable en medio de la competencia por esto se deberaacute generar un disentildeo totalmente desmontable mediante uniones roscadas o pasadores en su defecto
714 Disentildeo de bajo costo
Como requisito dado por el equipo de disentildeo se estipula que la alternativa a seleccionar sea de bajo costo pues la mayoriacutea de los fondos se destinaran a los componentes electroacutenicos tales como sensores bateriacuteas de litio paneles solares generadores y motores Por lo anterior se infiere que los elementos no manufacturados del sistema deberaacuten ser de comerciales y masivos con la finalidad de tener una excelente relacioacuten de costobeneficio en cada adquisicioacuten
7141 Materiales econoacutemicos
Con las restricciones econoacutemicas impuestas seraacute de vital importancia que los elementos elegidos para la construccioacuten del sistema sean de bajo costo o se encuentren al interior del ASTIN al igual que los diferentes elementos que se deseen implementar tales como pernos ejes amortiguadores etc por ende las opciones maacutes viables para esta uacuteltima parte son las de generar homologaciones en las medidas y especificaciones a elementos comerciales de faacutecil obtencioacuten y bajo precio
7142 Manufacturable mediante meacutetodos convencionales
Debido a los bajos costos que se deben manejar la totalidad de los elementos metalmecaacutenicos deberaacuten ser manufacturados al interior del ASTIN Por ende cada una de las alternativas o modificaciones deberaacute poderse llevar a cabo mediante la maquinaria disponible
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8 SIacuteNTESIS
81 MATRIZ DE SELECCIOacuteN
Para la etapa de siacutentesis se utilizoacute el meacutetodo de decisioacuten de Pugh (Ullman 2003) debido a que la practicidad en la eleccioacuten de una alternativa viable de disentildeo evaluando criterios necesarios Para tener una mezcla de evaluaciones cualitativas y cuantitativas este meacutetodo es eficaz para la comparacioacuten de conceptos alternativos El meacutetodo proporciona un medio de marcar cada concepto alternativo con respecto a los otros en su capacidad para cumplir los criterios La comparacioacuten de las puntuaciones de esta manera de una idea de las mejores alternativas e informacioacuten uacutetil para la toma de decisioacuten
811 Meacutetodo de decisioacuten matriz-Pugh
El meacutetodo de decisioacuten de matriz es un meacutetodo de evaluacioacuten iterativa que pone a prueba la integridad y la compresioacuten de los criterios raacutepidamente identifica las alternativas maacutes fuertes y ayuda a fomentar nuevas alternativas Este meacutetodo es maacutes eficaz si cada miembro del equipo de disentildeo lo realiza de forma independiente y los resultados individuales se comparan entonces Los resultados de la comparacioacuten conducen a una repeticioacuten de la teacutecnica con la iteracioacuten continua hasta que el equipo estaacute satisfecho con los resultados
8111 Pasos de la matriz de seleccioacuten
Paso 1 Estado de la emisioacuten ldquoElegir un concepto para el desarrollo continuordquo determinar claramente el problema de disentildeo a desarrollar en este caso el problema de disentildeo se divide en dos matrices puesto que se debe seleccionar dos tipos de suspensiones acopladas en la parte delantera y trasera del vehiculoacute
Paso 2 Seleccioacuten de alternativa para comparacioacuten Desarrollar un conjunto completo de requisitos del cliente para un disentildeo que seraacuten utilizados para dar un conjunto de requisitos de ingenieriacutea
Estos paraacutemetros o criterios como se observan en las Tablas 5 y 6 se determinan los paraacutemetros en estabilidad del vehiacuteculo la cual se debe mantener durante todo el trayecto se deben tener en cuenta como criterio el cumplimiento del reglamento de la carrera que sea la opcioacuten optima de disentildeo y por uacuteltimo que el presupuesto no sea excesivo Los criterios se descomponen en subcriterios que abordan maacutes
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caracteriacutesticas de evaluacioacuten a la matriz haciendo de la seleccioacuten de tipos de suspensioacuten maacutes precisa
Paso 3 Desarrollo de coeficientes importancia relativa Se determinoacute un porcentaje de importancia de los sub-criterios de comparacioacuten bajo paraacutemetros subjetivos de disentildeo los cuales se ven reflejados en obtener un balance entre todos los sub- criterios teniendo un disentildeo oacuteptimo
Paso 4 Evaluacioacuten de alternativas Se hizo una evaluacioacuten de criterios cualitativamente con un +1 si cumple maacutes allaacute de las expectativas 0 si las cumple pero no las supera y -1 si no cumple los criterios de disentildeo
Paso 6 Calcular la satisfaccioacuten y decidir alternativa final Se hace la sumatoria de los puntos designados de cada prototipo a cada criterio y se selecciona el disentildeo con el mayor total
812 Seleccioacuten suspensioacuten delantera
Para la suspensioacuten delantera se proponen cuatro tipos de disentildeo para las cuales se establecen cuatro criterios de seleccioacuten que se dividen en ocho subcriterios calificables seguacuten el meacutetodo de decisioacuten matriz - pugh Las caracteriacutesticas de los disentildeos se especifican en la tabla 2 del documento se procede a la evaluacioacuten de los criterios
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Tabla 5 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten delantera
Hot
chki
nss
Mul
tibra
zo
Mac
Pher
son
Triaacute
ngul
os
supe
rpue
stos
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten delantera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten -1 1 1 1
15 Soporte de cargas 1 1 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 0 -1 0 1
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso -1 -1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 0 0 1 1
15 Manufacturable 0 1 1 1
TOTAL 0 2 6 7
SUMATORIA -5 25 75 90
La suspensioacuten de triangulo superpuesto es el disentildeo seleccionado seguacuten el meacutetodo de matriz ndash pugh superando la expectativa de los criterios de evaluacioacuten este sistema es considerado tradicionalmente como el sistema ideal utilizado desde la segunda guerra mundial puesto que la suspensioacuten ofrece mayor grado de libertad en el ajuste de los paraacutemetros que determinan su comportamiento Debido a su geometriacutea sencilla es faacutecil la determinacioacuten de las fuerzas a que estaacuten sometidos los diferentes componentes por este motivo tambieacuten es de faacutecil optimizacioacuten del disentildeo de seccioacuten y del peso final
813 Seleccioacuten suspensioacuten trasera
Para la seleccioacuten de la suspensioacuten trasera se repiten los criterios de disentildeo de la seccioacuten anteriores se evaluacutean cuatro diferentes disentildeos como se muestra en la tabla 2
La unidad de resorte cantileacutever es la que cumple con los requerimientos planeados de la mejor manera puesto que tiene facilidad de ajuste ya que solo cuenta con un amortiguador tiene menor masa suspendida ademaacutes de tiene alta rigidez torsional
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y de flexioacuten tambieacuten de proporcional una amplitud de movimiento mayor a la rueda Las piezas son faacutecilmente manufacturables en tubos en forma rectas siendo de bajo costo la produccioacuten y faacutecil mantenimiento
Tabla 6 Matriz de seleccioacuten suspensioacuten trasera
Bra
zo o
scila
nte
sim
ple
Can
tileacutev
er
Bal
anciacute
n- c
hasi
s
Bal
anciacute
n- B
razo
os
cila
nte
Problema Eleccioacuten del tipo de suspensioacuten trasera
ESTABILIDAD 15 Comportamiento de la suspensioacuten 0 1 1 1
15 Soporte de cargas -1 0 1 1
REGLAMENTO CARRERA SOLAR
15 Dimensiones del vehiacuteculo 1 1 0 0
10 Ruedas 0 0 0 0
OPTIMIZAR GEOMETRIacuteA
15 Bajo peso 1 1 1 1
10 Elementos de faacutecil acceso y ajustables
1 1 1 1
BAJO COSTO 5 Materiales de bajo costo 1 1 0 0
15 Manufacturable 1 1 0 0
TOTAL 4 6 4 4
SUMATORIA 45 75 55 55
82 DISENtildeO Y SELECCIOacuteN PRELIMINAR
Una vez realizada la seleccioacuten de los tipos de suspensiones que se adaptan a las necesidades estipuladas se continuo con la etapa implementacioacuten de los conjuntos de amortiguador-muelle para la suspensioacuten delantera y trasera Las cuales fueron suministradas por parte del equipo de disentildeo estas eran geneacutericas por lo tanto careciacutean de informacioacuten teacutecnica como como tiempo de estabilizacioacuten constante del muelle y del amortiguador
Seguacuten lo informado dicha seleccioacuten se dio por su bajo costo porque cumpliacutean con las caracteriacutesticas geomeacutetricas adecuadas y son suspensiones estaacutendar para vehiacuteculos motorizados de dos ruedas probados por fabricantes para la rigidez requerida en los mismos estos datos teniacutean que constatarse de manera veriacutedica
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para verificar la capacidad de dar soporte al vehiacuteculo una vez estuviera completamente equipado Con la finalidad de estimar el tiempo de estabilizacioacuten del sistema que debe ser mayor a tres segundos en caso contrario genera inestabilidad y perdida de traccioacuten En la figura 13 se muestran los dos conjuntos pertenecientes a la suspensioacuten delantera y en la figura 14 el monoshock trasero
Figura 13 Amortiguadores delanteros
Figura 14 Monoshock trasero
Para determinar la constante de cada amortiguador-muelle se usoacute la maacutequina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la Universidad Autoacutenoma de occidente Fue necesario desensamblarlos pues de hacerse experimentalmente puede llegar a ser altamente peligroso ya que el muelle tiene energiacutea acumulada producto de la precarga que se les da a estos elementos de faacutebrica dicho proceso se ilustra en la figura 15 y 16
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Figura 15 Prensa para despieceacute de amortiguadores
Figura 16 Amortiguadores desensamblados
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821 Suspensioacuten delantera
El disentildeo preliminar de la suspensioacuten delantera se muestra en la figura 17
Figura 17 Suspensioacuten preliminar
Con base en el disentildeo preliminar se hace un proceso de redisentildeo
8211 Caracterizacioacuten de amortiguador delantero
Como la fuerza de reaccioacuten para los amortiguadores depende de la velocidad con la que se compriman se realizoacute una serie de ensayos a distintas velocidades SE inicioacute con un avance de 1 mms hasta 33 mms Con el fin de definir la fuerza de reaccioacuten para cada velocidad se procedioacute a analizar cada una de las graacuteficas y obtener un valor promedio de la fuerza Se traficoacute cada una de las fuerzas y se realizoacute un ajuste lineal figura 18
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Figura 18 Curva caracteriacutestica amortiguador delantero
Una vez se obtienen los datos del ajuste lineal tenemos que la constante para el amortiguador delantero ldquobrdquo es de 25694 N(mms)
822 Caracterizacioacuten de muelle delantero
Para el muelle delantero se requiere verificar la constante ldquokrdquo la cual se saca de la constante del ajuste lineal de la graacutefica fuerza vs deformacioacuten La cual arrojo un valor de 132 Nmm
y = 25694x + 29817
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
000 050 100 150 200 250 300 350
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
Curva caracteristica delantera
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Figura 19 Curva caracteriacutestica mulle delantero
8221 Incremento de aacutengulo CAMBER negativo en suspensioacuten delantera
En el disentildeo preliminar del equipo SENA el aacutengulo de la inclinacioacuten del sistema de la rueda es de 0deg para vehiacuteculos de competencia debe ser aproximadamente de -5deg (Miliken amp Miliken 1995) el aacutengulo negativo le da estabilidad en las curvas y reduce el deterioro temprano de los neumaacuteticos
Para lograr el aacutengulo negativo en el CAMBER se deben modificar paraacutemetros geomeacutetricos de la tijeras de la suspensioacuten y de los puntos de apoyo al chasis estos paraacutemetros se modelan por el uso del software libre que hay en la paacutegina httpwwwvsuspcom el cual permite simular las condiciones geomeacutetricas necesarias para una configuracioacuten deseada las dimensiones preliminares se encuentran en la Figura 20 y las dimensiones modificadas se muestran en la figuras 22 y 22
y = 13209x - 22933Rsup2 = 09876
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
FUER
ZA (N
)
DEFORMACIOacuteN (mm)
CURVA CARACTERIacuteSTICA PARA MUELLE DELANTERO
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Figura 20 Dimensiones preliminares de suspensioacuten delantera medidas en (mm)
Figura 21 Dimensiones de suspensioacuten traseras modificadas
55
Figura 22 Dimensiones de suspensioacuten trasera modificadas
Con estas modificaciones en las dimensiones del vehiculoacute se logra un aacutengulo CAMBER de -4932deg el cual mejorara la estabilidad del vehiacuteculo durante las curvas
Con los anteriores paraacutemetros de suspensioacuten se obtuvo el esquema para en cual se determina el centro de balanceo a una altura de 064 mm del suelo (Figura 23)
Figura 23 Esquema de suspensioacuten delantera y centro de balanceo
Los paraacutemetros adicionales se pueden observar detalladamente en la siguiente direccioacuten URL que se encuentra en el anexo B
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Figura 24 Suspensioacuten delantera con aacutengulo CAMBER negativo (- 4932deg)
La figura 24 muestra la modificacioacuten del aacutengulo CAMBER para el disentildeo preliminar en los anexos H y I se encuentran los planos de fabricacioacuten de las piezas
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823 Suspensioacuten trasera
8231 Caracterizacioacuten amortiguadora trasero
Para la suspensioacuten trasera se obtuvo una relacioacuten lineal entre la fuerza de reaccioacuten y su velocidad de aplicacioacuten Se obtuvo una constante de amortiguacioacuten ldquobrdquo de 1955 N(mms)
Figura 25 Curva caracteriacutestica amortiguador trasero
8232 Caracterizacioacuten de muelle trasero
En general para el sistema del monoshock se presentaron fuerzas de reaccioacuten mucho mayores tanto para el amortiguador como para el muelle Esto se debe a que los componentes deben ser mucho maacutes robustos pues a diferencia de la suspensioacuten delantera en la que actuacutean dos conjuntos de muelles y amortiguadores en la parte trasera solo seraacute uno
Luego de realizar el ajuste se obtiene que la constante ldquokrdquo para el muelle trasero es de 4106 Nmm
y = 19553x + 25624
0000
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
000000 050000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Fuer
za (N
)
Velocidad (mms)
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Figura 26 Curva caracteriacutestica muelle trasero
8233 Disentildeo estructural de tijera trasera
Para la eleccioacuten de la tijera se tuvo en cuenta la geometriacutea del vehiacuteculo el peso del mismo totalmente equipado y las medidas maacuteximas del vehiacuteculo dadas por el reglamento de ldquoCarrera Solarrdquo ATACAMA 2020 Estas estipulan en su seccioacuten 22 que dichas dimensiones deberaacuten coincidir o ser menores a un prisma rectangular recto de 35 m de longitud 2m de ancho y 16 m de altura
Dado que el vehiacuteculo contaraacute con dos ocupantes se optoacute por una geometriacutea de tipo ldquocantileacuteverrdquo pues esta posee estructura triangular la cual distribuye los esfuerzos de manera uniforme y la hace maacutes estable a la flexioacuten en comparacioacuten al claacutesico brazo oscilante Mientras que el sistema de sujecioacuten del amortiguador seria de tipo simple (sin barras de conexioacuten) dando como resultado un esfuerzo relativamente constante a la deformacioacuten del muelle dado que el servicio de este estariacutea demarcado por condiciones de baja exigencia producto de las velocidades maacutexima que manejariacutea el vehiacuteculo seraacute aproximadamente 30 kmh y la carga seraacute de 300 kg global
y = 41064x + 90033Rsup2 = 09921
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000FU
ERZA
(N)
DEFORMACION (mm)
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La disposicioacuten exacta del amortiguador fue dada en cierta medida por las restricciones dadas por la normativa de la competencia y el disentildeo del chasis Por otra parte dicha disposicioacuten generariacutea un comportamiento particular en la rigidez de la misma por lo que se optoacute por escoger paraacutemetros conservadores para un comportamiento que se mantuviera dentro de los paraacutemetros recomendados (Cossalter 2006) escogiendo una inclinacioacuten de 110deg y un radio de 066 estos valores se pueden observar en las figuras 27 y 28
Figura 27 Curva de rigidez para varios valores de inclinacioacuten del grupo de amortiguadores de resorte
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p190) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
Figura 28 Curva de rigidez para varios valores de la relacioacuten entre la distancia del resorte y la longitud del brazo oscilante
De Motorcycle Dynamics (2edicioacuten p191) por V Cossalter 2006 Padova springs Derechos reservados por Vittore Cossalter 2006
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Una vez seleccionado los paraacutemetros de inclinacioacuten se obtiene una curva de rigidez teoacuterica dentro de los paraacutemetros recomendados por Cossalter en su libro ldquoDinaacutemica de motocicletasrdquo garantizando comportamientos estables y pronta estabilizacioacuten ante baches en terreno pavimentado como es el caso del lugar donde se realizaraacute la competencia
Una vez seleccionada la suspensioacuten simple Cantiliver la cual se disentildeoacute en tuberiacutea de acero AISI 4130 (223x23 192x13) del cual se disponiacutea en el centro ASTIN Figura 29
Figura 29 Tijera trasera primer prototipo
Una vez modelado se presentaron varias irregularidades entre ellas cabe destacar que en los brazos se generaron sobre-esfuerzos que dieron como resultados factores de seguridad del orden de 04 por tanto se procedioacute a generar una serie de triangulaciones en esta zona Como resultado se obtuvo una geometriacutea modificada figura 30
61
Figura 30 Tijera trasera segundo prototipo
Una vez trianguladas las secciones criacuteticas dichos sobreesfuerzos se trasladaron al travesantildeo horizontal concluyendo que dicha geometriacutea deberiacutea ser replanteadas pues si bien presentaba valores en su factor de seguridad de 04 de continuar generando refuerzos la sobre triangulacioacuten dificultariacutea la construccioacuten y aumentariacutea la cantidad de material necesario Por tanto se analizoacute una geometriacutea distinta figura 31
Figura 31 Tijera trasera segundo prototipo
Como se aprecia esta es una geometriacutea mucho maacutes faacutecil de fabricar pero sus resultados arrojaron factores de seguridad menores a uno Con la finalidad de
62
optimizar el modelo se desplazan las dos secciones de tuberiacutea casi verticales a la mitad de la estructura los cuales trabajariacutean a compresioacuten mientras que los aros en forma de ldquoUrdquo iniciales se triangularon con el fin de soportar el resto de la estructura como se muestra en la Figura 32 Si bien el concepto cumplioacute con los factores de seguridad posteriormente dichos anaacutelisis se ampliaraacuten
Figura 32 Tijera trasera modelo final
Los puntos de conexioacuten de la tijera estaacuten compuestos por el eje de anclaje al chasis el punto de apoyo del amortiguador y la platina de anclaje de la rueda motriz trasera En la figura 33 se detallan las dimensiones generales de la tijera los planos de fabricacioacuten de la tijera trasera se detallan en el anexo J al anexo R
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Figura 33 Configuracioacuten de tijera trasera medidas en (mm)
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9 ANAacuteLISIS EVALUACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN
Las suspensiones fueron disentildeadas para cumplir con todos los requerimientos de la competencia de ATACAMA teniendo esto en cuenta se realizaron anaacutelisis de cargas a las que estaraacuten sometidas durante la carrera A continuacioacuten se describen los paraacutemetros de carga a tener en cuenta
91 FUERZA RADIAL EN CURVAS
Seguacuten el reglamento de la carrera ldquoLos vehiacuteculos hiacutebridos deben poder girar en curvas cerradas de los circuitos urbanos de 90deg y un ancho de viacutea de 6 m hacia ambas direcciones sin perder la estabilidadrdquo esto supone tomar curvas en L (Figura 34)
Figura 34 Representacioacuten de curva cerrada en el circuito
Las curvas suponen que el vehiacuteculo puede tomar curvas cerradas con radios de hasta 6 metros donde la carroceriacutea del carro puede pasar sin problemas pero para tomar una medida adicional se analiza el caso donde el radio de giro del vehiacuteculo puede ser de 45 metros esto con el fin de asegurar la integridad de la estructura en cambios de direccioacuten durante la curva
La fuerza radial es descrita por la SAE (Stone 2004) como
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119865119903 = (119898119888
119871)
1198812
119877
(1)
Donde ldquomrdquo es la masa del vehiacuteculo ldquocrdquo es la distancia del centro de masa ldquoardquo el eje de la rueda delantera del vehiacuteculo ldquoLrdquo la longitud de total entre centro de rueda delantera y trasera del vehiacuteculo ldquoVrdquo la velocidad instantaacutenea del vehiacuteculo y ldquoRrdquo el radio de giro Estos datos se parametrizaron en el modelo computacional del vehiacuteculo con el disentildeo preliminar de las suspensiones
Figura 35 Esquema de centro de masa del vehiacuteculo teniendo en cuenta el peso de los ocupantes medidas en (m)
Donde c 089 m y L 204 m el peso del vehiacuteculo con ocupantes final se estima llegue a un maacuteximo de m300 kg la velocidad maacutexima que el motor entrega es de 30 Kmh es decir 833 ms y el radio de giro se estima un miacutenimo de 45 m con lo cual se obtiene que
119865119903 = (300 119896119892 lowast 089 119898
204 119898)
(833 119898119904)2
45 119898= 201979 119873
(2)
La fuerza radial es soportada por la suspensioacuten delantera y la suspensioacuten trasera se determinoacute el porcentaje de carga radial a partir de la distancia al centro de masa del vehiacuteculo
66
Figura 36 Diagrama de fuerza radial
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (201979 119873) + 204 119898 (119877119861) (3)
119877119861 =115 119898 lowast (201979 119873)
204 119898= 113861 119873
(4)
119877119860 = 88118 119873 (5)
Con los valores de cargas de radiales para cada suspensioacuten se tuvieron en cuenta para las simulaciones que se expondraacuten posteriormente
92 FUERZA DE GRAVEDAD Y INCREMENTO DE CARGA EN DESACELERACIOacuteN
Para la competencia de ATACAMA los reglamentos estipulan que ldquoEl sistema de freno de servicio debe ser capaz de detener el vehiacuteculo solar con su maacutexima capacidad de ocupantes dentro de una distancia de
67
119863(119898) = 001 119881 + 00060 1198812 (6)
Donde la velocidad (v) se encuentra en Kmh que el vehiacuteculo solar pueda alcanzar Para el caso del vehiacuteculo la velocidad maacutexima es de 30 Kmh La distancia en la cual el vehiacuteculo debe detenerse debe ser de 84 m para una desaceleracioacuten de 30 Kmh a Por tanto el tiempo en que se tardariacutea en frenar esa distancia es 1 segundo
Partiendo del esquema de la Figura 37 (Miliken amp Miliken 1995) el aumento de carga a la rueda trasera al acelerar lo cual seraacute de modo contrario al desacelerar donde el aumento de carga se transfiere a la suspensioacuten delantera
Figura 37 Esquema de transferencia de masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics Miliken WF amp Miliken DL 1995)
Entonces se puede deducir que la carga vertical total que va soportar el sistema de suspensioacuten del carro es equivalente al peso del vehiacuteculo maacutes el aumento de carga longitudinal
119865119879(119873) = 119882 + ∆119882119909 (7)
68
Haciendo sumatoria de momento en el puntordquo Ordquo en la figura 14 se obtiene que
∆119882119909 = ℎ119908119860119909
119897
(8)
Doacutende Ax es la aceleracioacuten del vehiacuteculo L es la longitud entre ejes de ruedas W es la masa estimada del vehiacuteculo y h la altura del suelo al centro de masa del vehiacuteculo
El aumento de carga teniendo en cuenta una desaceleracioacuten de 833 ms (30 Kmh) a 0 mS en 101 segundos se tiene una desaceleracioacuten de 827 ms2 por lo cual se obtuvo que
∆119882119909 = 053 119898lowast300 119896119892lowast 827 1198981199042
204 119898= 64435 119873
(9)
El aumento de carga se estima en 64435 N tambieacuten se determinoacute el porcentaje de carga debido al peso del vehiacuteculo que deben soportar los sistemas de suspensioacuten con respecto al centro de masa El vehiacuteculo tiene una masa de maacuteximo 300 kg que son 2940 N
Figura 38 Diagrama de peso del vehiacuteculo
69
Se hizo un balance de momentos donde A es la suspensioacuten trasera y B es la suspensioacuten delantera para que ninguna de las suspensiones este sin con contacto del piso la sumatoria de momentos en los puntos A y B por lo tanto se tiene que
sum 119872119860 = 0 = minus115119898 (2943 119873) + 204 119898 (119877119861) (10)
119877119861 =115 119898 lowast (2943 119873)
204 119898= 165904 119873
(11)
119877119860 = 128396 119873 (12)
La carga vertical total teniendo en cuenta las fuerza que soportan las suspensiones son
Carga total vertical en suspensioacuten delantera en desaceleracioacuten
119865119879119889 = 119882 + ∆119882119909 = 165904 119873 + 64435 119873 = 230339 119873
(13)
Carga total vertical en suspensioacuten trasera en aceleracioacuten
119865119879119905 = 119882 + ∆119882119909 = 128396 119873 + 64435 119873 =192831 119873
(14)
Las cargas obtenidas se aplican en los anaacutelisis de esfuerzos posteriores
93 ANAacuteLISIS DE FUERZA Y MOVIMIENTO DE SUSPENSIOacuteN FRENTE A UN OBSTAacuteCULO
La carrera de ATACAMA determina que la pista seraacute un circuito urbano para el cual se previene alguacuten tipo de bache (obstaacuteculo) en el camino el cual podriacutea ser de hasta de 10 cm de alto por lo cual se recurrioacute a una simulacioacuten de movimiento en el software SolidWorks para determinar la fuerza que puede generar el obstaacuteculo en la suspensioacuten
70
931 Fuerza de reaccioacuten frente a obstaacuteculo de suspensioacuten delantera y suspensioacuten trasera
El amortiguador seleccionado para la suspensioacuten delantera tiene una constante de resorte en el muelle de K=13209 Nmm y una constante de amortiguacioacuten de c=25694 N(mms) Para la suspensioacuten trasera los valores son de K+41 Nmm y c=19553 N(mms) Se determinoacute con estos paraacutemetros la fuerza de reaccioacuten en el sistema de la suspensioacuten frente a un estiacutemulo de 10 cm de desplazamiento lineal para lo cual se parametrizo un esquema de la suspensioacuten delantera y trasera que sirve de guiacutea de movimiento para los anaacutelisis figura 39 y 40
Figura 39 Esquema de suspensioacuten delantera vista frontal
71
Figura 40 Esquema de suspensioacuten trasera
Con los esquemas parametrizados e introduciendo las variables de anaacutelisis se simula un desplazamiento lineal de las suspensiones para lo cual se obtuvo los resultados de las Figuras 41 y 42
Figura 41 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten delantera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
72
Figura 42 Fuerza de reaccioacuten versus tiempo de la suspensioacuten trasera por efecto de un obstaacuteculo de altura 10 cm
La fuerza neta de la suspensioacuten delantera por obstaacuteculo fue de - 7349 N esto y la fuerza de la suspensioacuten trasera fue 1130 N
94 ANAacuteLISIS GLOBAL DE FUERZAS
Teniendo en cuenta la fuerza radial ejercida en un giro la fuerza de gravedad el aumento de carga en aceleracioacuten y frenado junto con la fuerza de desplazamiento frente a obstaacuteculos se hace un balance global de las fuerzas que soportan las suspensiones tabla 7
Tabla 7 Fuerzas externas en suspensiones
SUSPENSIOacuteN FUERZA DELANTERA TRASERA Radial 113861 N 88118 N Peso +aumento de carga 230339 N 192831 N Reaccioacuten obstaacuteculo 73400 N 113000 N
73
95 EVALUACIOacuteN DE ELEMENTOS DE UNIOacuteN
951 Rotulas
El equipo ASTIN SENA selecciono cabezas de articulaciones libres de mantenimiento con superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado SKF SA 12C dimensiones en anexo C la capacidad de carga dinaacutemica es de C=11400 N Se evaluoacute la capacidad de soportas las cargas para la tijera delantera las cargasmaacuteximas de la suspensioacuten delantera que podriacutean soportar las rotulas son deFa=113861 N y Fr=230339 N debido al posicionamiento de las rotulas en elensamblaje las fuerzas estaraacuten dispuestas como se muestran en la figura 43
Figura 43 Rotula de contacto angular bajo carga combinada SKF
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
La carga P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula la cual se puede hallar a partir de
119875 = 119910119865119877(15)
74
Doacutende P es la carga dinaacutemica equivalente de la roacutetula Fr es la componente radial de la carga y es el factor que depende de la relacioacuten de la carga axial con la radial FaFr El factor y se obtiene a partir de la graacutefica de la Figura 44 para rotulas libres de mantenimiento
Figura 44 Factor (y) para roacutetulas radiales libres de mantenimiento
De ldquoCabeza de articulacioacutenrdquo por SKF 2001 (httpswwwskfcomcoproductsbearings-units-housingsplain-bearingsgeneralrod-ends-requiring-maintenanceindexhtml) Todos los derechos reservados por SKF
Para este caso la razoacuten entre FaFr es de 113861 119873
230339 119873= 049 para lo cual el factor (y)
seraacute de y=225 debido a que la graacutefica no contempla el facto de 049 se toma el maacuteximo para obtener un paraacutemetro de evaluacioacuten
Por lo tanto la carga dinaacutemica equivalente P seraacute
119875 = 119910119865119877 = 225 lowast 230339119873 = 518263119873
(16)
Por tanto la carga relativa CP de la superficie de contacto acero compuesto bronce sinterizado se obtiene de la Tabla 10
75
Tabla 8 Valores guiacutea para CP (SKF 2001)
Para este tipo de combinacioacuten de materiales el factor CP=16 por lo tanto
119862 = 119875 lowast 16 = 518263119873 lowast 16 = 829221119873
(17)
Teniendo en cuenta lo anterior la capacidad de carga dinaacutemica debe ser mayor de 829221 N por lo cual las rotulas SA 12C seleccionadas por el equipo ASTIN SENA cumplen ya que su capacidad es de 11rsquo400 N sobrepasando la carga teoacuterica C
96 ANAacuteLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Determinadas las cargas a las cuales seraacuten sometidas las suspensiones se procedioacute a realizar simulacioacuten de esfuerzo en los componentes maacutes criacuteticos del sistema
76
Primero se hizo un estudio de convergencia de malla al ensamblaje de las suspensiones con el fin de tener un paraacutemetro de malla global bajo en cual evaluar los resultados el resultado de la convergencia se muestra en la siguiente Figura 45
Figura 45 Grafica de convergencia de malla
La malla comienza a tener valores estables a partir de 42 mm de tamantildeo (Figura 45) por lo cual se escogioacute este paraacutemetro para ejecutar todas las simulaciones Cabe aclarar que la malla evaluada es una malla adaptativa a los contornos y superficies de los elementos
961 Simulacioacuten MEF para componentes criacuteticos sistema de suspensioacuten
9611 Simulacioacuten MEF Porta masas
El porta masas es elemento estructural que tiene contacto directo con la llanta del vehiacuteculo estaacute conformado por acero ASTM A36 en las laacuteminas de la estructura principal y el eje es de un acero AISI 4130 las propiedades de los dos materiales se muestran en el anexo F y anexo G
El porta masas delantero como se especifica en la tabla 7 soporta la carga radial completa de 113861 N puesto que el vehiacuteculo realiza curvas en ambas direcciones tanto izquierda como derecha por lo que toda la carga se traslada a una de las
0
05
1
15
2
25
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5
FAC
TOR
DE
SEG
UR
IDA
D
TAMANtildeO DE MALLA (mm)
77
ruedas principalmente caso contrario sucede con el peso y el aumento de carga en frenado o aceleracioacuten estas cargas se distribuyen en las dos suspensiones delanteras la carga de 230339 N correspondiente al porcentaje de carga trasladado a la parte frontal cada porta masa soportara una fuerza axial de 115170 N
En la figura 46 se muestra el factor de seguridad al evaluar los anteriores paraacutemetros en el moacutedulo Static Structural de ANSYS
Figura 46 Factor de seguridad porta masas
El factor de seguridad miacutenimo del porta masas fue de 197 por lo cual cumple con los requerimientos para la competencia es vital que este elemento exceda un poco el facto de seguridad de min 1 puesto que es la segunda pieza despueacutes de las llantas en recibir directamente las cargas ejercidas durante la competencia
78
9612 Simulacioacuten MEF tijera superior y tejera inferior
La tijera superior e inferior estaacuten compuestas de acero AISI 4130 anexo G las tijeras deben soportar la carga radial por seguridad se evaluacutean con la totalidad de la fuerza para asegurar la integridad durante picos de carga que puedan ocurrir durante la carrera 113861 N son aplicados en cada tijera y se aplica la carga axial del peso en desaceleracioacuten correspondiente de 115170 N
Figura 47 Factor de seguridad de tijera superior
79
Figura 48 Factor de seguridad de tijera inferior
El factor de seguridad de la tijera superior fu de 1076 (Figura 47) y en la tijera inferior de 1032 figura 48 Estos valores no son muy superiores a 1 pero es debido a que se considera como si recibieran directamente las cargas como una medida extra de seguridad por lo cual las tijeras responderaacuten frente a un imprevisto en la carrera
962 Simulacioacuten suspensioacuten trasera
La tijera trasera es el componente estructural que soporta los esfuerzos transmitidos al amortiguador y al conjunto del chasis la tuberiacutea de la tijera es de un acero AISI 4130 anexo G Para este componente la fuerza radial en curvas es de 88118 N y la carga debido al peso en desaceleracioacuten es de 192831 N teniendo en cuenta se analizoacute la estructura cuyo factor de seguridad para estas cargas fue de 125 figura 49
80
Figura 49 Factor de seguridad tijera trasera
97 OPTIMIZACIOacuteN TOPOLOacuteGICA
La optimizacioacuten topoloacutegica se concentra en la peacuterdida de peso del elemento conservando el rendimiento mecaacutenico de una pieza para los sistemas de la suspensioacuten del vehiacuteculo los componentes como las tijeras estas conformados por tuberiacutea una de las estructuras maacutes estables y ligeras que existen por lo que para esta clase de optimizacioacuten se analizoacute la pieza con piezas planas como lo es el porta masas de la rueda
Para la optimizacioacuten de la pieza se tuvo en cuenta los siguientes paraacutemetros de mejora
81
La pieza deberiacutea conservar un miacutenimo de 45 mm de espesor en las zonas criacuteticas esto a que la pieza original se disentildeoacute con este mismo espesor haciendo la fabricacioacuten del modelo final menos costoso
Reduccioacuten del 65 del peso de la pieza original conservando las propiedades mecaacutenicas de la pieza a las cargas anteriormente descritas
Teniendo en cuenta lo anterior se corrioacute una simulacioacuten topoloacutegica en el software SolidWorks figura 50
Figura 50 Modelo de reduccioacuten parameacutetrica del 65 de la masa (SolidWorks)
Como resultado de la parametrizacioacuten se dio un modelo el cual permite reconocer los espacios que pueden reducirse en la pieza original para hacer el posterior redisentildeo optimizado Cabe resaltar que se pude suavizar la malla para obtener un modelo maacutes esteacutetico de parametrizacioacuten pero en este caso se opta por realizar el redisentildeo modificando la pieza original ya que la pieza final no seraacute fabricada con manufactura aditiva la cual permite la fabricacioacuten de estos complicados disentildeos por el contrario se relazaron modificaciones a las laacuteminas de acero para reducir el peso de la pieza final
82
Figura 51 Redisentildeo optimizado del porta masas
El modelo Recuperado figura 51 reduciendo el material en las zonas donde no es necesario optoacute por reducciones de peso mediante formas triangulares puesto que estas geometriacuteas permiten soportar las cargas de una manera oacuteptima ademaacutes antildeadieacutendole redondeos a los bordes para evitar concentradores de esfuerzos
Por uacuteltimo se evaluoacute la pieza obtenida mediante anaacutelisis de elementos finitos sometieacutendolas a las cargas que fueron evaluadas en el anterior disentildeo para corroborar las prestaciones de la pieza
83
Figura 52 Factor de seguridad porta masas redisentildeado
El factor de seguridad de la pieza optimizada fue de 298 figura 52 por lo cual cumple con las condiciones de carga a las cuales seraacute sometido durante la competicioacuten Se evaluoacute tabla 9 la mejora comparado con el anterior disentildeo
Tabla 9 Evaluacioacuten de mejora de redisentildeo topoloacutegico
Porta masas Redisentildeo de mejora Peso (g) 118617 75858 3605
Factor de seguridad 197 298 5120
El redisentildeo del porta masas logro una reduccioacuten del 3605 de peso aumentando el factor de seguridad en 5120 debido a las estructuras en forma de triaacutengulos para la reduccioacuten que distribuyen mejor los esfuerzos
84
98 DISPOSICIOacuteN FINAL DEL SISTEMA DE SUSPENSIOacuteN
Con el fin de ilustrar la disposicioacuten final del sistema de suspensioacuten delantero como trasero se realizan los respectivos ensamblajes ademaacutes que permite visualizar la interaccioacuten de los muacuteltiples componentes en los cuales se verifican que todos acoplen correctamente figura 53
Figura 53 Ensamble del sistema de suspensioacuten delantero
Para la tijera trasera se anexan las platinas de sujecioacuten al chasis amortiguador y la modificacioacuten de una de las platinas traseras para que diera soporte al caliper del freno la cual fue suministrada por el equipo de desarrollo del sistema de frenos figura 54
85
Figura 54 Tijera trasera amortiguador y caliper
Finalmente con la implementacioacuten de la llanta trasera y su motor el modelo de suspensioacuten trasera quedariacutea totalmente equipada para ser implementada en el vehiacuteculo figura 55
Figura 55 Sistema de suspensioacuten trasero
86
10 CONCLUSIONES
El proceso de disentildeo mecaacutenico permitioacute seguir un orden loacutegico de desarrollo sin lugar a omisioacuten logrando asiacute un resultado oacuteptimo para cada requerimiento estipulados
El uso de herramientas computacionales (CAD CAE) permitieron desarrollar modelos virtuales los cuales fueron evaluados y optimizados reduciendo el tiempo de desarrollo y evitando sobre costos en la fabricacioacuten de prototipos que no cumplan con los requerimientos
El proceso de optimizacioacuten de topoloacutegica permitioacute la reduccioacuten del 3605 del peso del porta masas de la suspensioacuten delantera mediante la eliminacioacuten de material en zonas no criacuteticas aumentado el factor de seguridad en 5120 debido a la estructuracioacuten interna de la laacutemina en forma triangular que ayuda a la distribucioacuten interna de los esfuerzos
El proceso de disentildeo se llevoacute a cabo teniendo en cuenta los paraacutemetros restrictivos dados por el reglamento de ldquoCarrera ATCAMA 2020rdquo en su seccioacuten 22 23 219 220 y 221 la cuales aseguran que el vehiacuteculo cumple con unas dimensiones maacuteximas mientras que garantizan factores criacuteticos como la estabilidad los puntos de apoyo y dictan como objetivo tener un sistema de suspensioacuten independiente para cada rueda
87
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ANEXOS
Anexo A Reglas carrera solar ATCAMA
Carrera solar
Carrera Solar Atacama (CSA) es la primera carrera con vehiacuteculos solares de Ameacuterica Latina y va a ocurrir en el desierto maacutes aacuterido del mundo con los niveles maacutes altos de radiacioacuten acompantildeado de un impresionante paisaje El lanzamiento oficial de la primera carrera en Ameacuterica Latina fue realizado en octubre 2009 en el umlSaloacuten del Automoacuteviluml liderado por Leandro Valencia director de La Ruta Solar (ONG) (Carrera Solar Atacama | a La Ruta Solar project 2017)
Categoriacuteas
Carrera Solar Atacama cuenta con 2 categoriacuteas principales La categoriacutea Solar y la categoriacutea Hiacutebrida
La categoriacutea Solar corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados uacutenicamente por energiacutea solar obtenida de la radiacioacuten solar captada por celdas solares y almacenada en un banco de bateriacuteas alcanzando velocidades superiores a los 100 kmh Esta categoriacutea no tiene un liacutemite presupuestario y se divide en 3 subcategoriacuteas ldquoCGE Challengerrdquo (monoplaza) ldquoCruiserrdquo (maacutes de 1 ocupante) y ldquoAventurardquo (vehiacuteculos participantes de carreras anteriores) (Carrera Solar sf)
La categoriacutea Hiacutebrida corresponde a vehiacuteculos eleacutectricos impulsados tanto por energiacutea solar como por traccioacuten humana pudiendo alcanzar velocidades de hasta 60 kmh ajustaacutendose al propoacutesito de generar soluciones de electro movilidad en zonas urbanas A diferencia de la categoriacutea Solar esta categoriacutea tiene un liacutemite presupuestario (Carrera Solar sf)
Subcategoriacuteas Hibrida
SQM hiacutebrida monoplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 1 ocupante con liacutemite presupuestario de $2500000 (Carrera Solar sf)
Hiacutebrida biplaza Vehiacuteculos hiacutebridos para 2 ocupantes con liacutemite presupuestario de $3500000 (Carrera Solar sf)
Fuentes de energiacutea
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Las fuentes de energiacutea primarias para un vehiacuteculo hiacutebrido corresponden a lairradiacioacuten solar recolectada por el vehiacuteculo pedaleo del piloto yo pasajeros y laenergiacutea recuperada por un sistema de freno regenerativo (carrerasolar 2017)
Cada vehiacuteculo deberaacute contar con un aacuterea maacutexima de 17 m2 de paneles solaresestos paneles deben ir adosados a la estructura o al carenado del vehiacuteculo(carrerasolar 2017) Esta aacuterea corresponde al aacuterea efectiva de la celda que utilicen los paneles solares(carrerasolar 2017) Los equipos deben entregar caacutelculos que demuestren el cumplimiento de la regla263 Ej El aacuterea de una celda SunPower E60 es menos que 001534 msup2 por endeel aacuterea de 260 celdas es menor que 3989 msup2 (carrerasolar 2017)
92
Anexo B URL (Paraacutemetros de suspensioacuten delantera)
httpwwwvsuspcom0826project_name3AiteraciC3B3n20126trim7Bbody_roll_angle3A07Cfrontleft_bump3A07Crearleft_bump3A07Cfrontright_bump3A07Crearright_bump3A07D26front7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A92007Cframecenter_to_upper_mount_x3A285007Cframebottom_to_upper_mount_y3A240007Cframecenter_to_lower_mount_x3A170007Cframebottom_to_lower_mount_y3A24007Ccontrol_armsupper_length3A248007Ccontrol_armslower_length3A375007Cknuckleshub_to_upper_x3A150007Cknuckleshub_to_lower_x3A130007Cknuckleshub_to_lower_y3A130007Cknuckleshub_to_upper_y3A130007Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A40007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A350007Ctiressize_convention3A07Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A76207Ctirescompression3A07D26rear7Bframesusp_type3A07Cframebottom_y3A156087Cframecenter_to_upper_mount_x3A557747Cframebottom_to_upper_mount_y3A150007Cframecenter_to_lower_mount_x3A507747Cframebottom_to_lower_mount_y3A20007Ccontrol_armsupper_length3A221007Ccontrol_armslower_length3A282007Cknuckleshub_to_upper_x3A24007Cknuckleshub_to_lower_x3A24577Cknuckleshub_to_lower_y3A60377Cknuckleshub_to_upper_y3A86077Cknuckleshub_to_strut_axis3A140007Cknucklesstrut_incl3A80007Csteeringactive3A07Csteeringhub_to_outer_tie_rod_x3A76207Csteeringhub_to_outer_tie_rod_y3A76207Cwheelsoffset3A-54007Cwheelsdiameter3A15007Cwheelsdiameter_expl3A378007Ctiressize_convention3A17Ctiressection_width3A195007Ctiresaspect_ratio3A45007Ctiresdiameter_expl3A500007Ctireswidth_expl3A44007Ctirescompression3A07D26pref7Bdiag1px_per_mm3A2007Cdiag1front_or_rear3Arear7Ctabactive3A07Cunits3A17Cshowf3A17Cshowca3A17Cshowk3A17Cshowst3A17Cshowstl3A17Cshoww3A17Cshowt3A17Cshowrc3A17Cshowrcl3A17Cshowic3A17Cshowicl3A17Cshowfvsa3A07Cshowtl3A07Cshowkpil3A07Credraw_during_drag3A17Cchartx_axis_center3A07Cchartx_axis_window3A107Cchartx_axis_num_steps3A217Cchartx_axis_field3Atrimbody_roll_angle7Ccharty_axis_fields3A5BFR5Dgeneralroll_centery7D
93
Anexo C Informacioacuten de rotulas de SKF
94
Anexo C Continuacioacuten
95
Anexo D Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten delantera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten (mm) Fuerza (kN) Deformacioacuten (m) Fuerza (N)
1 0 0000193 0 0193
2 0416614 0003701 0000416614 3701
3 0833397 0008379 0000833397 8379
4 1250067 0012921 0001250067 12921
5 1666568 0017519 0001666568 17519
6 2083408 0022304 0002083408 22304
7 2499965 0027152 0002499965 27152
8 2916635 0031927 0002916635 31927
9 3333362 0036725 0003333362 36725
10 3749975 004153 0003749975 4153
11 4166646 0046388 0004166646 46388
12 4583373 005115 0004583373 5115
13 4999986 0056185 0004999986 56185
14 5416657 0060969 0005416657 60969
15 5833326 0065853 0005833326 65853
16 624994 0070731 000624994 70731
17 6666611 007568 0006666611 7568
18 7083395 0080583 0007083395 80583
19 7499951 0085494 0007499951 85494
20 7916565 009042 0007916565 9042
21 8333462 0095304 0008333462 95304
22 8749906 010016 0008749906 10016
23 9166688 0105063 0009166688 105063
24 958336 0110015 000958336 110015
25 9999915 0114836 0009999915 114836
26 10416699 0119812 0010416699 119812
27 10833314 0124732 0010833314 124732
28 1125004 0129662 001125004 129662
29 11666711 013447 0011666711 13447
30 12083323 0139538 0012083323 139538
31 12499994 0144465 0012499994 144465
32 12916721 0149345 0012916721 149345
33 13333278 0154299 0013333278 154299
34 13750006 0159246 0013750006 159246
35 14166674 0164065 0014166674 164065
36 14583345 0169042 0014583345 169042
96
37 14999959 0174094 0014999959 174094
38 15416687 0178961 0015416687 178961
39 15833298 018388 0015833298 18388
40 16250027 0188764 0016250027 188764
41 16666754 0193686 0016666754 193686
42 17083311 0198587 0017083311 198587
43 17499981 0203737 0017499981 203737
44 17916765 0208606 0017916765 208606
45 18333265 0213489 0018333265 213489
46 20416561 0238133 0020416561 238133
47 22499964 0262788 0022499964 262788
48 2458326 0287426 002458326 287426
49 26666613 0312051 0026666613 312051
50 28749907 0336589 0028749907 336589
51 30833313 0361184 0030833313 361184
52 32916725 0385866 0032916725 385866
53 34999962 0410528 0034999962 410528
54 37083256 0435159 0037083256 435159
55 39166668 0459692 0039166668 459692
56 41250019 0484341 0041250019 484341
57 4333337 0508816 004333337 508816
58 45416607 0533383 0045416607 533383
59 4749995 0558069 004749995 558069
60 4958342 0582581 004958342 582581
61 51666656 0607139 0051666656 607139
62 53750008 0631706 0053750008 631706
63 55833363 0656968 0055833363 656968
64 5791671 0684266 005791671 684266
65 60 0713809 006 713809
66 62083298 0749255 0062083298 749255
67 64166656 0788044 0064166656 788044
68 66250008 083256 0066250008 83256
69 68333412 0879014 0068333412 879014
70 7041671 0927744 007041671 927744
71 72499939 0977322 0072499939 977322
72 74583412 102779 0074583412 102779
73 76666763 1079814 0076666763 1079814
74 7875 1134819 007875 1134819
75 80833351 1199996 0080833351 1199996
97
Anexo E Datos de caracterizacioacuten de suspensioacuten trasera en maacutequina de ensayos universal
Ndeg Deformacioacuten
(mm) Fuerza
(kN) Fuerza (N)
1 9333289 1215467 1215467
2 9541653 124593 124593
3 9749959 127662 127662
4 9958267 1307179 1307179
5 10166631 1338288 1338288
6 10374936 1369121 1369121
7 10583301 1400197 1400197
8 10791607 1431251 1431251
9 10999913 1462403 1462403
10 11208335 1493454 1493454
11 11416640 1524757 1524757
12 11624948 1555627 1555627
13 11833367 1586691 1586691
14 12041616 1617824 1617824
15 12249980 1648939 1648939
16 12458344 1679968 1679968
17 12666536 1711296 1711296
18 12874902 1742246 1742246
19 13083378 1773476 1773476
20 13291627 1804389 1804389
21 13499934 1835611 1835611
22 13708355 1866539 1866539
23 13916604 1897752 1897752
24 14124911 1928848 1928848
25 14333330 1960549 1960549
26 14541638 1992957 1992957
27 14749888 2025597 2025597
28 14958307 2058027 2058027
29 15166672 2090897 2090897
30 15374923 2123507 2123507
31 15583285 2156307 2156307
32 15791649 2189007 2189007
33 15999954 2222164 2222164
34 16208208 2255051 2255051
35 16416683 2289613 2289613
36 16624931 2324969 2324969
37 16833181 2360771 2360771
38 17041660 2396132 2396132
39 17249968 2431679 2431679
98
40 17458218 2466909 2466909
41 17666693 2502613 2502613
42 17875000 2538023 2538023
43 18083193 2573634 2573634
44 18291668 2609199 2609199
45 18499977 2644997 2644997
46 18708170 2680467 2680467
47 18916475 2716507 2716507
48 19125011 2752105 2752105
49 19333261 278794 278794
50 19541624 2823713 2823713
51 19749990 2859749 2859749
52 19958239 2895382 2895382
53 20166658 2931338 2931338
54 20374968 2967103 2967103
55 20583216 3003123 3003123
56 20791691 3038843 3038843
57 20999886 3074927 3074927
58 21208250 3110808 3110808
59 21416668 3146729 3146729
60 21624922 3182581 3182581
61 21833284 322241 322241
62 22041647 3262466 3262466
63 22250010 3303834 3303834
64 22458261 3345589 3345589
65 22666683 3387475 3387475
66 22874987 3429283 3429283
67 23083179 3470976 3470976
68 23291656 3512086 3512086
69 23500021 3553398 3553398
70 23708157 3594965 3594965
71 23916578 3636812 3636812
72 24125055 36799 36799
73 24333244 3727361 3727361
74 24541553 3774781 3774781
75 24750031 3822341 3822341
76 24958225 3869697 3869697
77 25166531 3916939 3916939
78 25375122 3964025 3964025
79 25583315 4011054 4011054
80 25791510 4057918 4057918
81 26000042 4105463 4105463
82 26208351 4152385 4152385
99
83 26416483 4199769 4199769
84 26624962 4247143 4247143
85 26833269 4294796 4294796
86 27041574 434196 434196
87 27249998 4389845 4389845
88 27458359 4437545 4437545
89 27666552 4485464 4485464
90 27874973 4533556 4533556
91 28083281 4581848 4581848
92 28291586 4630056 4630056
93 28499952 4678421 4678421
94 28708256 4726988 4726988
95 28916620 4775602 4775602
96 29124928 4823851 4823851
97 29333292 4872693 4872693
98 29541653 4921016 4921016
99 29749962 4969565 4969565
100 29958210 5017682 5017682
101 30166630 5066161 5066161
102 30375050 5114288 5114288
103 30583246 5162896 5162896
104 30791609 5211409 5211409
105 31000027 5260113 5260113
106 31208275 5308831 5308831
107 31416586 5357894 5357894
108 31624947 5406557 5406557
109 31833313 5455682 5455682
110 32041565 5504713 5504713
111 32249981 5554095 5554095
112 32458344 5603252 5603252
113 32666595 5652772 5652772
114 32874962 5702165 5702165
115 33083382 5751826 5751826
116 33291630 5801307 5801307
117 33499935 5850873 5850873
118 33708416 5900314 5900314
119 33916607 5949893 5949893
120 34124859 5999196 5999196
121 34333336 6049182 6049182
122 34541637 6098703 6098703
123 34749832 6148626 6148626
124 34958256 6198149 6198149
125 35166676 6247663 6247663
100
126 35374924 6296233 6296233
127 35583286 6345528 6345528
128 35791592 6394572 6394572
129 35999958 6444403 6444403
Anexo F Propiedades mecaacutenicas del acero ASTM A36 ( httpwwwmatwebcom)
101
Anexo G Propiedades mecaacutenicas del acero AISI 4130 ( httpwwwmatwebcom)
Anexo H Tijera superior delantera
103
Anexo I Tijera inferior delantera
104
Anexo J Tijera trasera plano de ensamblaje
105
Anexo K Tijera trasera plano de construccioacuten 1
106
Anexo L Tijera trasera plano de construccioacuten 2
107
Anexo M Tijera trasera plano de construccioacuten 3
108
Anexo N Tijera trasera plano de construccioacuten 4
Anexo O Tijera trasera plano de construccioacuten 5
Anexo P Tijera trasera plano de construccioacuten 5
111
Anexo Q Tijera trasera plano de construccioacuten 6
112
Anexo R Tijera trasera plano de construccioacuten 7