5. Estructura del chasis
5.3. Metodología del diseño estructural del chasis
A continuación se presenta la descripción de las metodologías llevadas a cabo para desarrollar el diseño del chasis. En la primera sección se resume el procedimiento llevado a cabo para desarrollar la geometría del chasis. En la segunda sección se describe el proceso de mejoramiento estructural del chasis, por medio de los modelos computacionales. En esta sección se describen los parámetros a tenidos en cuenta y proceso para probar y mejorar la estructura, con el fin de cumplir los requerimientos y reducir la masa.
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5.3.1.
Metodología del diseño del chasisLa metodología seguida para la elaborar la geometría del chasis, consiste de una serie de pasos donde se construye la estructura, teniendo como punto de partida la jaula del piloto, sobre la cual se fue desarrollando progresivamente la estructura del chasis, teniendo en cuenta las restricciones geométricas. El proceso seguido se mostrará en la sección 5.3.
5.3.2.
Metodología del modelo computacional para el diseño de la sección frontalLa metodología desarrollada para obtener la estructura final del chasis se basa en una serie de modelos computacionales, con los cuales se revisa el cumplimiento de los requerimientos de diseño y se realizan mejoras estructurales de manera iterativa.
Lo primero que se debe considerar para evaluar el desempeño del chasis y a partir de allí poder realizar las mejoras estructurales correspondientes, es establecer las variables deseables de la estructura. La variable central que se busca mejorar es la masa del chasis, ya que un auto de alto rendimiento requiere que su masa total sea lo más baja posible para lograr el máximo desempeño. Las demás variables deseables, son los requerimientos de diseño de la estructura que se resumen a continuación.
– Rigidez Torsional: K=20000Nm/º – Rigidez Flexión: K=14000 N/mm
– Carga de 9 Ton aplicada en la parte superior con deformación inferior a 38mm – Carga de 5 Ton aplicada en la parte lateral con deformación inferior a 50mm – Soportar las cargas generadas en el impacto frontal y lateral
– Soportar la aceleración lateral tomando la primera curva a velocidad máxima
De acuerdo a las variables expuestas anteriormente, la estructura será eficiente si se logra cumplir con todas las restricciones, y con la masa más baja posible del chasis. Lo anterior representa el criterio central para mejoramiento de la estructura. A partir de lo anterior, se crea un procedimiento guía para la evaluación de la estructura y para tomar las decisiones de mejoramiento de la estructura, el cual se presenta a continuación.
54 5.3.2.1. Proceso de análisis para la evaluación y modificación de la estructura
El proceso del diagrama 2, fue diseñado para que en primer lugar se asegurara que el chasis cumple los requerimientos de seguridad y que soporta las cargas de diseño, para que posteriormente se pueda proceder a mejorar la rigidez torsional y a flexión de la estructura.
Diagrama 2. Proceso de mejoramiento de estructura de chasis, por medio de modelos computacionales
5.3.2.2. Análisis de reducción de rigidez torsional
A continuación se mencionan los criterios para el análisis de la reducción de la rigidez torsional, a partir de los cuales se hace la reducción de rigidez del chasis. Se consideran tres criterios por medio de los cuales se puede reducir la rigidez torsional. A continuación se describe cada uno de ellos.
-Disminución de momento polar: El chasis se puede modelar como una barra sujeta a torsión. De acuerdo a lo anterior se puede analizar la rigidez torsional, entiendo al chasis como si fuera una
55 barra con un determinado momento polar, el cual es altamente variable a lo largo de éste. A continuación se presenta la ecuación general con la cual se determina el momento polar y la relación que establece la constante de rigidez torsional de una barra.
∫ (16)
Donde representa el radio con respecto al centro de rotación donde se ubica el elemento infinitesimal .
(17)
Donde k es la constante de rigidez, G representa el módulo de rigidez del material, J el momento polar y L, la longitud de la viga.
Analizando la ecuación 16, para el caso del chasis, se establece que las geometrías más cercanas al eje de rotación no tienen tanto efecto en el momento polar, como si lo tienen las secciones más alejadas.
De acuerdo a lo anterior, en caso de que la rigidez torsional del chasis se requiera disminuir, se podrán reducir los diámetros de los tubos de la parte inferior del chasis y se podrán retirar tubos diagonales en esta misma zona (sin afectar la triangulación de la zona en mención), sin que se afecte considerablemente la rigidez torsional, lo cual favorecerá la disminución de la masa.
-Reducción de diámetros de las secciones trianguladas: Según menciona Happian-Smith [8], la rigidez de una sección triangulada es proporcionada por el elemento diagonal, el cual se encuentra sujeto a tensión o compresión. De acuerdo a lo anterior, una reducción o aumento del diámetro del tubo diagonal de una sección triangulada aumentará o disminuirá la rigidez de la sección. -Retirar tubos diagonales de zonas trianguladas: Si se retiran tubos diagonales de secciones trianguladas, se reducirá considerablemente la rigidez de una sección, lo anterior debido a que los tubos del marco de la sección quedarán soportando momentos flectores. En el anexo 12, se muestra un esquema de lo mencionado, proporcionado por Happian-Smith.