ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
SECCION DE ESTUDIOS DE POSTGRADO E INVESTIGACIONUnidad Profesional Adolfo López Mateos ZACATENCO
“DISEÑO DE LOS SOPORTES DEL TANQUE DE GAS
NATURAL DE UN VEHÍCULO COMPACTO”
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS
Con especialidad en
INGENIERIA MECANICA
P R E S E N T A:
FERNANDO ALBERTO GONZALEZ VALDES
DIRECTOR:
DR. JOSE MARTINEZ TRINIDAD.
En la Ciudad de
Mexico, D. F.
siendo las
16:OOhoras del dia
01del mes de
Julio
del 2009 se reunieron 10s miembros de la Comision Revisora de Tesis designada
por el Colegio de Profesores de Estudios de Posgrado e lnvestigacion de la
E.S.I.M.E. ZAC
para examinar la tesis de grado titulada:
"DISENO DE LOS SOPORTES PARA EL TANQUE DE GAS NATURAL DE UN AUTOMOVIL
COMPACTO"
Presentada por el alumno:
VALDEZ
FERNANDO
aspirante al grado de:
Apellido paterno materno nombre(s)
MAESTRO EN ClENClAS EN INGENIER~A MECANICA
Con registro:Despues de intercambiar opiniones 10s miembros de la Comision manifestaron
SU
APROBACION DE LA TESIS,en virtud de que satisface 10s requisitos seAalados por las disposiciones
reglamentarias vigentes.
LA
COMISI~N
REVISORA
Director de tesis
B
Segundo Vocal
Secretario J
0
DR.
CARTA DE CESIÓN DE DERECHOS
En la cuidad de México Distrito Federal, el día 1 de Julio de 2009, el que suscribe
Fernando González Valdés, alumno del programa de Maestría en Ciencias en
Ingeniería Mecánica con número de registro B061428, adscrito a la Sección de
Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME Unidad Zacatenco, manifiesta que
es autor del presente trabajo de Tesis bajo la dirección del Dr. José Martínez Trinidad
y cede los derechos del trabajo titulado: “Diseño de los soportes del tanque de gas
natural de un vehículo compacto”, al Instituto Politécnico Nacional para su difusión con
fines académicos y de investigación.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, graficas o
datos del trabajo sin el permiso expreso del autor. Este puede ser obtenido escribiendo
al correo electrónico:
dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente.
Dedicado a Mi Madre
Gracias por todo lo que me has dado, no tengo
palabras para agradecerte el esfuerzo que has
hecho para brindarme todo el apoyo, comprensión,
cariño y amor que tengo de ti desde que recuerdo y
hasta hoy…
Este título es más tuyo que mío, jamás lo hubiera
hecho sin ti y sin tus enseñanzas y ejemplos.
Agradecimientos
Al Instituto Politécnico Nacional a la Escuela Superior de Ingeniería
Mecánica y eléctrica de la unidad profesional Adolfo López Mateos,
así como a la Sección de estudios de Posgrado e Investigación del
IPN.
Al director de esta tesis Dr. José Martínez Trinidad y al Dr. Orlando
Susarrey por su confianza, dirección y soporte a lo largo de este
trabajo.
A mi madre la Profesora Hortensia Valdes Sánchez.
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica i Resumen
El encarecimiento de los combustibles fósiles y la contaminación por emisiones vehiculares ha dado lugar al desarrollo de vehículos con una fuente de energía alterna a la gasolina o diesel, dando paso a una nueva generación de vehículos que funcionen con algún otro combustible. En general la industria automotriz se encuentra en una etapa de desarrollo de este tipo de automóviles y algunas están comenzando a introducir tecnologías de vehículos híbridos a sus actuales productos de venta, los cuales siguen usando como combustible secundario la gasolina o el diesel y como combustible primario la energía eléctrica o algún combustible alterno económico como el alcohol o el gas LP o Gas Natural.
El problema de ingeniería a resolver tiene lugar a raíz del diseño de un automóvil con tecnología hibrida el cual es propulsado mediante 2 opciones de combustibles fósiles; la gasolina y el gas natural comprimido. En el presente trabajo se presenta el diseño completo de un soporte para un cilindro de gas natural comprimido el cual se implementa en un vehículo sub compacto diseñado para trabajar con un sistema de combustible alterno
Debido a que el cilindro de gas natural es un componente grande y pesado de alrededor de 60kg y este se coloca en el interior del compartimiento de pasajeros, la investigación está enfocada en obtener un diseño que cumpla con estrictos estándares de seguridad vehicular, asegurando la posición del tanque en cualquier condición de manejo, aceleración y desaceleración del vehículo, e incluso para resistir impactos frontales, traseros o laterales.
Este trabajo está enfocado en el proceso de diseño y la validación experimental del soporte de tanque de combustible de gas natural comprimido, en base a normas internacionales y locales, propias del país donde se comercializará el vehículo, así como también de estándares internos de la empresa que fabricará el vehículo. Se utilizan herramientas de diseño en ingeniería como el CAD-CAE para obtener un diseño robusto y manufacturable, de bajo costo y confiable, así como también se apoya de programas de cómputo basados en la teoría de elementos finitos, para calcular esfuerzos y deformaciones. Asegurando así que el diseño final resultante sea confiable y robusto y que cumple con los más altos estándares de ingeniería.
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica ii Abstract
Fossil fuels costs and vehicle emissions pollution has increased the importance about vehicles powered by alternate energy development, due to this a new generation of vehicles that work with some other fuel source have started. In general, the automotive industry is at development stage and some companies are starting to introduce hybrid technology into their current products, which still uses petrol as secondary and electricity as a primary fuel or some alternate as alcohol or natural gas.
The engineering problem to be solved has place with the design issue to get a car with hybrid technology able to be powered by 2 options, fossil fuels; gasoline and compressed natural gas. This document shows all the design process for the fuel tank cylinder support which is implemented in a compact car designed to work with this alternate fuel system
Due to natural gas cylinder is a big and heavy component, around 60 kg, and it is placed in the interior of the passenger compartment, this research is focused on getting a design that meets stringent security vehicular standards, ensuring the position of the tank under any ride and handling condition, acceleration and deceleration of the vehicle, and even to resist front, rear or side impacts.
This document focuses on the design process and experimental validation for the compressed natural gas fuel tank support, based on international standards and some local regulations from the country where the vehicle will be sold, as well as internal standards from the company that will manufacture the vehicle. Engineering Design tools are used like CAD-CAE for a robust and feasible low-cost design, finite element theory based computation programs to calculate stress and deformations supports this development in order to ensure that the final resulting design is reliable and robust enough to meet the highest engineering standards.
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica iii I Índice.
Tema. Pagina
Resumen i
Abstract ii
I Índice iii
II Índice de tablas v
III Índice de Figuras vi
VI Objetivo General x
VII Objetivos Particulares x
VII Justificación xi
CAPITULO 1.
SEGURIDAD AUTOMOTRIZ
1.1 Antecedentes 1
1.2. Los Sistemas De Seguridad 1
1.3 Seguridad Activa 2
1.3.1 Dirección 3
1.3.2 Frenos 4
1.3.3 Neumáticos 6
1.3.4 Sistema de suspensión activa 7
1.3.5 Sistema Electrónico de Estabilidad 7
1.3.6 Sistema distribución automática de frenado (EBD) 9
1.3.7 Sistema de asistencia a la frenada (BAS) 9
1.3.8 Acondicionamiento Fisiológico 10
1.4 Seguridad Pasiva 10
1.4.1 Sistema De Retención De Ocupantes 11
1.4.2 Carrocería de deformación programada 16
1.5. Investigación Y Desarrollo 18
1.5.1 Ensayos de Seguridad 18
1.5.2 Durabilidad 22
CAPITULO 2.
SISTEMA DE GAS NATURAL PARA VEHICULOS AUTOMOTOR.
2.1 Antecedentes Generales. 24
2.2 Situación actual del país donde se realiza la implementación 26
2.2.1 Planteamiento del Problema 26
2.2.2 Bases Teóricas 27
2.2.3 Uso del gas natural en vehículos automotores 29
2.2.4 Seguridad. 31
2.2.5 Componentes básicos de un vehículo GNV. 32
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica iv
CAPITULO 3.
DISEÑO DE LOS SOPORTES DEL TANQUE DE GAS NATURAL
3.1 Planteamiento del problema de ingeniería 37
3.2 Tanque de combustible GNC 38
3.3 Ubicación del Tanque GNC. 40
3.4 Diseño del soporte del tanque de gas natural comprimido 41
3.4.1 Componentes del soporte. 43
3.5 Diseño de refuerzos de carrocería. 45
3.5.1 Refuerzos de travesaño para el piso trasero. 48
3.5.2 Refuerzos del riel de carga. 51
CAPITULO 4.
ANALISIS NUMERICO DE LOS SOPORTES DEL TANQUE EMPLEANDO EL METODO DEL ELEMENTO FINITO
4.1 Creación del modelo de elemento finito. 53
4.1.1 Geometría 53
4.1.2 Creación de la malla 54
4.1.3 Condiciones de frontera. 57
4.1.4 Casos de Carga. 59
4.2 Resultados Obtenidos 63
4.2.4 Análisis de esfuerzos. 66
CAPITULO 5.
VALIDACION EXPERIMENTAL DEL DISEÑO.
5.1 Plan de validación 86
5.2 Fabricación de componentes de prueba. 88
5.3 Pruebas de ‘Deslizamiento’ – Simulación de impacto. 93
5.3.1 Simulación de impacto trasero – Prueba de ‘Deslizamiento’ 97
5.3.2 Simulación de impacto frontal – Prueba de ‘Deslizamiento’ 105
5.3.3 Simulación de impacto lateral derecho – Prueba de ‘Deslizamiento’
112
5.4 Pruebas de impacto vehículo completo. 119
5.4.1 Impacto frontal vehículo completo. 119
5.4.2 Impacto trasero vehículo completo. 124
5.4.3 Impacto frontal a 30° vehículo completo. 129
5.4.4 Impacto lateral izquierdo vehículo completo. 134
5.5 Prueba de BCQ. - Durabilidad 139
VIII. Conclusiones 143
IX. Perspectivas de Trabajo 146
X. Referencias 147
XI. Bibliografía 148
Anexo 1 Norma local para vehículos equipados con GNC Requerimientos Técnicos
A1
Anexo 2 Nomenclatura para los materiales usados en este documento. A2
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica v II Índice de tablas
Tabla Página
Tabla 2.1 Comparación de características gasolina y gas natural. 30 Tabla 2.2 Componentes generales del sistema de gas natural comprimido 33
Tabla 3.1 – Características generales del tanque. 39
Tabla 3.2 – Masa y capacidad del tanque de GNC seleccionado 39
Tabla 3.4 Lista de componentes que conforman el soporte del tanque de GNC. 47
Tabla 3.5 Lista de refuerzos para el piso del vehículo. 48
Tabla 3.6 – Materiales usados para fabricar la estructura de carga del vehículo. 50 Tabla 4.1 – Materiales propuestos para el análisis de esfuerzos mediante elementos
finitos.
57
Tabla 4.2 – Materiales seleccionados para la fabricación de soportes del tanque de GNC. 85
Tabla 5.1 Plan de Pruebas 87
Tabla 5.2. Piezas para el ensamble del Soporte del tanque GNC. 88 Tabla 5.3: Piezas para el ensamble del piso reforzado para soportar el cilindro GNC 92 Tabla 5.4 Valores máximos para el desplazamiento lineal en prueba de deslizamiento
impacto trasero
101
Tabla 5.5 Deformaciones permanentes, desplazamiento lineal en prueba de deslizamiento impacto trasero
104
Tabla 5.6 Valores máximos para el desplazamiento lineal en prueba de deslizamiento impacto frontal
108
Tabla 5.7 Deformaciones permanentes, desplazamiento lineal en prueba de deslizamiento impacto frontal
111
Tabla 5.8 Valores máximos para el desplazamiento lineal en prueba de deslizamiento impacto lateral
114
Tabla 5.9 Desplazamientos permanentes, lineal prueba de deslizamiento impacto lateral 116 Tabla 5.10 Valores máximos para el desplazamiento angular en prueba de impacto frontal 120 Tabla 5.11 Valores máximos para el desplazamiento lineal en prueba de impacto frontal 121 Tabla 5.12 Desplazamientos permanentes, desplazamiento lineal en prueba de impacto
frontal
122
Tabla 5.13 Valores máximos para el desplazamiento angular en prueba de impacto trasero
125
Tabla 5.14 Valores máximos para el desplazamiento lineal en prueba de impacto trasero 126 Tabla 5.15 Desplazamientos permanentes, desplazamiento lineal en prueba de impacto
trasero
127
Tabla 5.16 Valores máximos para el desplazamiento angular en prueba de impacto frontal a 30º
130
Tabla 5.17 Valores máximos para el desplazamiento lineal en prueba de impacto frontal a 30º
131
Tabla 5.18 Desplazamientos permanentes, desplazamiento lineal en prueba de impacto frontal a 30º
132
Tabla 5.19 Valores máximos para el desplazamiento angular en prueba de impacto lateral izquierdo
135
Tabla 5.20 Valores máximos para el desplazamiento lineal en prueba de impacto lateral izquierdo
136
Tabla 5.21 Desplazamientos permanentes, desplazamiento lineal en prueba de impacto lateral izquierdo
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica vi III Índice de Figuras.
Figura Página
Figura 1.1 Dirección Servo Asistida. 4
Figura 1.2 Funcionamiento del sistema de antibloqueo de frenos. 5 Figura 1.3: Componentes y funcionamiento del sistema de monitoreo de presión en los
neumáticos
6
Figura 1.4: Componentes del sistema de suspensión activa 7
Figura 1.5: Funcionamiento del sistema electronico de estabilidad 8 Figura 1.6 Secuencia de funcionamiento de una bolsa de aire frontal 14 Figura 1.7 Tipos de montaje de bolsas de aire laterales: en las puertas (izquierda) y en los
asientos (derecha)
14
Figura 1.8 Tipos de airbag para la cabeza: de cortina (izquierda) y tubular (derecha) 15
Figura 1.9 Ejemplos de sistemas de apoyacabezas activos 16
Figura 1.10 Ejemplo de deformación programada en el sector frontal de un vehículo 17
Figura 1.11 Habitáculo reforzado de un vehículo 18
Figura 1.12 Maniquí de prueba 19
Figura 1.13 dispositivo de deslizamiento para simular impactos . 20 Figura 1.14 Funcionamiento del pistón de simulación de impactos. 21
Figura 1.15 Pistón de aceleración variable. 21
Figura 1.16 Comparación entre un choque real y uno simulado. 22 Figura 2.1 – Instalación del sistema de gas natural comprimido en un vehículo automotor. 32 Figura 2.2 – Esquema del funcionamiento del sistema de gas natural comprimido en un
vehículo.
36
Figura 3.1a Tanque Seleccionado. 38
Figura 3.1b Cilindro de GNC. 40
Figura 3.2 Compartimiento de carga del vehículo. 41
Fig. 3.3 Diseño del soporte del tanque de gas GNC. 41
Fig. 3.4a Diseño del soporte del tanque de gas GNC instalado. 42 Fig. 3.4b Diseño del soporte del tanque de gas GNC instalado. 42
Figura 3.5 – Soporte frontal Izquierdo S1 43
Figura 3.6 – Soporte frontal Derecho S2 43
Figura 3.7 – Soporte de piso Izquierdo S3 44
Figura 3.8 – Soporte de piso derecho S4 44
Figura 3.9 – Travesaño central S5. 44
Figura 3.10 - Tirante de sujeción S6 44
Figura 3.11 Refuerzos de carrocería instalados. 46
Figura 3.12 a y b Soporte del tanque y refuerzos de carrocería. 46
Figura 3.13 - Refuerzo posterior de travesaño R1 47
Figura 3.14 - Refuerzo izquierdo frontal de travesaño R2 47
Figura 3.15 - Refuerzo derecho frontal de travesaño R3 47
Figura 3.15 - Refuerzo de Riel R4 48
Figura 3.16 – Estructura de carga del piso trasero del vehículo. 49 Figura 3.17 – Patrón de soldadura propuesto para el refuerzo de R1 50 Figura 3.18 – Patrón de soldadura propuesto para el refuerzo R2 y R3 51 Figura 3.19 – Instalación del refuerzo R4 al riel de carga y soportes S3 y S4. 51 Figura 3.20 – Patrón de soldadura propuesto para el refuerzo R4 52
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica vii
Figura 4.2 Malla para análisis de elemento finito. 55
Figura 4.3a Elementos de unión entre mallas diferentes mallas. 56
Figura 4.3b Modelo final para el análisis. 56
Figura 4.4a Suspensión trasera de un automóvil – Condiciones de frontera 58 Figura 4.4b Condiciones de frontera para el modelo matemático 59
Figura 4.5 Fuerzas aplicadas. 62
Figura 4.6 Desplazamientos máximos en la dirección X. 64
Figura 4.7 Desplazamientos máximos en la dirección Y. 65
Figura 4.8 Desplazamientos máximos en la dirección Z. 66
Figura 4.9 Esfuerzos en el sistema completo en la dirección X. 67 Figura 4.10 Esfuerzos en el sistema completo en la dirección Y. 68 Figura 4.11 Esfuerzos en el sistema completo en la dirección Z . 69 Figura 4.12 Esfuerzos debidos a la carga aplicada en X en el soporte S3 y S4. 70 Figura 4.13 Esfuerzos debidos a la carga aplicada en Y en el soporte S3 y S4. 71 Figura 4.14 Esfuerzos debidos a la carga aplicada en Z en el soporte S3 y S4. 72 Figura 4.15 Esfuerzos debidos a la carga aplicada en X en el soporte S1 y S2. 73 Figura 4.16 Esfuerzos debidos a la carga aplicada en Y en el soporte S1 y S2. 74 Figura 4.17 Esfuerzos debidos a la carga aplicada en Z en el soporte S1 y S2. 75
Figura 4.18 Detalle de esfuerzos en el componente S5. 76
Figura 4.19 Detalle de esfuerzos en el cinchos S6. 77
Figura 4.20 Esfuerzos debidos a la carga aplicada en X en el piso del vehículo. 78 Figura 4.21a Esfuerzos debidos a la carga aplicada en Y en el piso del vehículo vista
superior.
79
Figura 4.21b Esfuerzos debidos a la carga aplicada en Y en el piso del vehículo vista inferior.
80
Figura 4.22 Esfuerzos debidos a la carga aplicada en Z en el piso del vehículo. 81 Figura 4.23 Esfuerzos debidos a la carga aplicada en X en los refuerzos R1, R2, R3 y R4
del piso del vehículo.
82
Figura 4.24 Esfuerzos debidos a la carga aplicada en Y en los refuerzos R1, R2, R3 y R4 del piso del vehículo.
83
Figura 4.25 Esfuerzos debidos a la carga aplicada en Z en los refuerzos R1, R2, R3 y R4 del piso del vehículo.
84
Figura 5.1 – Prototipo soporte frontal Izquierdo 88
Figura 5.2 – Prototipo soporte frontal derecho 89
Figura 5.3 – Prototipo soporte de piso izquierdo 89
Figura 5.4 – Prototipo soporte de piso izquierdo 90
Figura 5.5 – Prototipo soporte de piso izquierdo 90
Figura 5.6 – Prototipo soporte de piso izquierdo 91
Figura. 5.7 Ensamble completo prototipo soporte de tanque 91
Figura 5.8 – Prototipo Refuerzo posterior de travesaño 92
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica viii
Figura 5.14. Pulso real usado para la prueba de deslizamiento impacto frontal 98 Figura 5.15 – Desplazamiento angular del tanque durante el Impacto trasero, prueba de
deslizamiento.
99
Figura 5.16 Deformación angular permanente – simulación impacto trasero, prueba de deslizamiento.
100
Figura 5.17 Desplazamiento lineal del tanque durante el Impacto trasero, prueba de deslizamiento
101
Figura 5.18 Desplazamiento máximo eje X – Prueba de deslizamiento impacto trasero. 102 Figura 5.19 Desplazamiento máximo eje Y – Prueba de deslizamiento impacto trasero 103 Figura 5.20 Aceleración y velocidad del tanque durante el Impacto trasero, prueba de
deslizamiento
104
Figura 5.21. Pulso real usado para la prueba de deslizamiento impacto frontal 105 Figura 5.22 – Desplazamiento angular del tanque durante el Impacto frontal, prueba de
deslizamiento.
106
Figura 5.23 Deformación angular permanente – simulación impacto trasero, prueba de deslizamiento.
107
Figura 5.24 Desplazamiento lineal del tanque durante el Impacto frontal, prueba de deslizamiento.
108
Figura 5.25 Máxima Deformación – Prueba de deslizamiento impacto frontal. 109 Figura 5.26 Máxima Deformación eje Y – Prueba de deslizamiento impacto frontal. 110 Figura 5.27 Aceleración y velocidad del tanque durante el Impacto frontal, prueba de
deslizamiento.
111
Figura 5.28. Pulso real usado para la prueba de deslizamiento impacto lateral 112 Figura 5.29 – Desplazamiento angular del tanque durante el Impacto lateral, prueba de
deslizamiento
113
Figura 5.30 Desplazamiento lineal del tanque durante el Impacto lateral, prueba de deslizamiento.
114
Figura 5.31 Máxima Deformación eje Y – Prueba de deslizamiento impacto lateral. 115 Figura 5.32 Deformación Permanente – Prueba de deslizamiento impacto lateral. 117 Figura 5.33 Aceleración y velocidad del tanque durante el Impacto lateral, prueba de
deslizamiento.
118
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica ix
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica x VI. Objetivo General
Realizar un diseño confiable y robusto para los soportes del tanque de gas natural para
implementar en un vehículo sub compacto el cual este basado en las normas de
seguridad vehicular para que garantice la seguridad de los ocupantes del vehículo, y
cumpla satisfactoriamente los requerimientos de las pruebas de impacto internacionales,
así como también presente una buena vida útil tanto al tanque de gas natural como al
resto de los componentes del automóvil, desde el punto de vista de la durabilidad del
vehículo y sus sistemas que lo componen.
VII. Objetivos Particulares.
- Obtener un diseño de soporte de tanque de GNC que cumpla con las normas de seguridad vehicular FMVSS 301 y 303, COVENIN 3228:1998, para su implementación en vehículos subcompactos.
- Analizar el soporte bajo condiciones de operación normal y de impacto para determinar que el tanque de combustible de gas natural no presenta deformación alguna y no pierde su función durante la vida útil del vehículo.
- Diseñar el soporte de tal manera que permita su ensamble sin modificar la línea de producción actual del vehículo en cuestión, así como también no deberá presentar interferencias con los componentes originales del vehículo para evitar rediseños y modificaciones mayores.
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica xi VIII. Justificación
Este proyecto tiene su origen en un país sudamericano, debido a la situación político-económica que se vive en el país donde el régimen socialista y la idiosincrasia de un país productor de petróleo y sus derivados como la gasolina han dado pie a tener grandes subsidios en el precio de la gasolina, hoy en día se pueden observar precios en las estaciones de gasolina del país de USD$0.033* por litro para 91 octanos, mientras que la de 95 Octanos (la mejor calidad en este país) USD$0.045* por litro.
El creciente precio de los combustibles fósiles en el mundo entero ha puesto en una situación complicada a las instituciones que refinan y distribuyen las gasolinas en este país, por un lado los costos de extracción del petróleo y la infraestructura de refinerías se han incrementado considerablemente, mientras que el precio final al publico se mantiene sin incrementos, lo que deja al gobierno pagando grandes cantidades de subsidio para poder mantener los precios fijos y al mismo tiempo mantener la industria petrolera funcionando.
Con esta situación impactando la economía del país y siendo prácticamente imposible subir el precio de los combustibles en el país, el gobierno ha buscado opciones alternas a la gasolina, encontrando una oportunidad en el gas natural, ya que el país produce grandes cantidades de este gas a muy bajo costo. De hecho existen algunas estaciones de gas natural ya instaladas en las gasolineras del país que distribuyen este combustible de manera gratuita para los vehículos equipados con el sistema.
Sin embargo, esto no es suficiente, la pérdida de potencia en los motores a gas y la pérdida de espacio en los compartimientos de equipaje en los vehículos equipados con este sistema, representan una gran desventaja para los consumidores comparado con un automóvil a gasolina y los precios del combustible.
Debido a esto el gobierno ha tomado medidas más agresivas para impulsar el uso de estos vehículos, imponiendo a las armadoras automotrices una cuota mínima del 30% de su producción equipada desde fábrica con el sistema de gas y dando como fecha limite el primero de abril de 2009 para comenzar la venta en las distribuidoras del país al público en general.
Es aquí donde surge la necesidad de equipar los vehículos que se comercializan en esta región con este sistema y por lo tanto la necesidad de diseñar un soporte para los cilindros de gas natural que serán instalados en ellos. Estos diseños deben cumplir con todos los estándares de calidad que la compañía que ensambla y comercializa los vehículos específica para todos sus vehículos en general, garantizando así la seguridad de los pasajeros y el buen funcionamiento de los vehículos, los cuales han formado las marcas de los productos que se venden en el mercado y que están presentes en la memoria de los consumidores por sus características y atributos que hacen posible su venta y la satisfacción de los clientes que los consumen.
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica
1
CAPITULO 1. SEGURIDAD AUTOMOTRIZ1.1 Antecedentes
Según la Organización Mundial de la Salud (OMS) Todos los años, más de 1,2 millones de personas fallecen como consecuencia de accidentes en las vías de tránsito y nada menos que otros 50 millones sufren traumatismos. Más del 90% de las defunciones se producen en los países de ingresos bajos y medianos.
Un coche bien diseñado puede salvar vidas condenadas por las leyes de la física y por la locura de sus conductores, pero por muy bien diseñado que esté un automóvil, si el conductor desconoce el uso correcto de los elementos de seguridad, si no está en condiciones de conducir (drogas, alcohol) o simplemente es imprudente, el accidente tiene grandes probabilidades de ocurrir.
En este capitulo se exponen distintos temas todos relacionados con la seguridad automovilística. Los accidentes de tráfico, los elementos de seguridad más importantes, la investigación en nuevos sistemas de seguridad tanto de seguridad activa o preventiva y de seguridad pasiva, todo esto es expuesto con el fin de demostrar que incluso con el avanzado nivel de seguridad automovilística actual, continúan ocurriendo accidentes.
El desarrollo tecnológico experimentado por los vehículos en las últimas décadas ha conseguido que mas elementos de seguridad avanzados se vayan incorporando a cada vez más modelos, independientemente de su tamaño y de su precio de venta.
Esta circunstancia se traduce en automóviles más seguros, que "arropan" técnicamente al conductor y son capaces de responder mejor en una situación comprometida, y brindar más posibilidades de supervivencia a los ocupantes o simplemente evitar lesiones en los mejores casos.
1.2. Los Sistemas De Seguridad
El concepto de seguridad se caracteriza por su universalidad y decidido enfoque hacia la perfección. Por evidente que parezca, cabe sin embargo enfatizar, que el concepto de la seguridad del automóvil suele ser interpretado con demasiada parcialidad, restringiéndose solamente al comportamiento del impacto. Pero ése es sólo uno de muchos aspectos y, sin duda, lo mejor es no tener que verse confrontado con éste jamás. El empeño preeminente debe consistir en evitar accidentes de antemano, aquí interviene tanto la capacidad del conductor como la del vehículo. Es por ello que todas las marcas se dedican a la seguridad activa con el mismo esmero que a la seguridad pasiva y a la protección del vehículo, persiguiendo el objetivo ideal de conseguir la óptima combinación de seguridad.
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica
2
puede recibir el calificativo de ser efectivamente seguro si conjuga todos estos criterios en un todo en perfecta armonía y pensado a fondo por cuanto a su construcción.Sin embargo la existencia de tantos elementos no significa solamente que un automóvil deba incorporar todos los equipamientos de seguridad técnicamente factibles. Igual importancia corresponde a su perfecta calidad, tanto del diseño como del material. Un antibloqueo de frenos ABS puede hacer perder metros enteros de salvación, si en el momento decisivo no funciona con la debida precisión. Una zona de resistencia progresiva puede carecer de efecto si únicamente está concebida para un solo tipo de impacto. Los cinturones pueden perder su función protectora, si no son absolutamente resistentes al envejecimiento. Y una celda del habitáculo tan sólida como se quiera, puede convertirse en un riesgo incalculable, si se produce oxidación en sus huecos.
1.3 Seguridad Activa
La seguridad activa es la encargada de evitar, dentro de lo posible, situaciones de riesgo que pueden provocar accidentes.
Existen variados equipamientos de estabilidad que se pueden incorporar a un vehículo, los cuales son descritos en detalle en las siguientes hojas. Sin embargo, el diseño inicial del vehículo es uno de los factores más influyentes en su estabilidad, independientemente de los elementos adicionales que incorpore. Dinámicamente, en la estabilidad de un vehículo tienen especial relevancia la posición su centro de gravedad y la distribución del peso entre los dos ejes. Mientras mas bajo esté el centro de gravedad y mas uniforme sea la distribución del peso entre sus ejes, mayor será el límite de adherencia del vehículo. Otros elementos de importancia son la geometría de la suspensión del vehículo, el tipo de neumáticos o el sistema de frenos.
Es importante tener estos elementos en cuenta antes de hacer un juicio sobre la estabilidad de un vehículo sólo al leer su listado de equipamiento de seguridad activa. Probablemente, un todo terreno provisto de una extensa batería de elementos electrónicos de estabilidad no estará a la altura en comportamiento dinámico en pavimento de un sencillo compacto, ya que se verá penalizado por su elevado centro de gravedad, unas suspensiones y neumáticos diseñados para circular por terrenos escarpados, y su mayor peso.
Si una situación crítica ha de redundar en accidente, es cuestión que depende decisivamente de la seguridad activa o preventiva del vehículo. Si bien ésta no puede sustituir la destreza del conductor y la conducción responsable, sí puede apoyarlas eficazmente a base de: fiabilidad en el comportamiento del manejo y frenado en cualquier situación, así como de una poderosa respuesta del motor al efectuar maniobras de adelantamiento y por medio de un puesto de conducción práctico (acondicionamiento fisiológico). Esta acción conjunta del tren de rodaje, la potencia del motor y la condición física del conductor, da lugar a la prevención completa.
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica
3
Tren MotrizEl tren motriz debe proporcionar al conductor facilidad de manejo y control en situaciones límite del vehículo, esto se consigue gracias a una gran capacidad de respuesta, una dirección precisa y una manejabilidad fiable; instrumentos que permiten al conductor responsable circular con máximo nivel de seguridad.
Otro papel clave en materia de la seguridad activa lo desempeñan los frenos: deben responder espontánea y uniformemente y seguir aportando pleno rendimiento incluso si se someten a cargas permanentes o a situaciones de emergencia.
Todo el control de un vehículo pasa por el tren motriz el cual engloba muchos otros sistemas como los frenos, las suspensiones y numerosos sistemas electrónicos de los cuales destacan el ABS y el novedoso ESP. Dicho tren debe tener un comportamiento de conducción neutro y consiguientemente calculable, indistintamente de que circule en curvas, sobre pistas en malas condiciones o en lluvia.
Cualquier componente del tren de rodaje puede ser tan perfecto como se quiera, y sin embargo lo decisivo es siempre la acción concertada del conjunto. Esto rige por igual para todos los componentes de un eje como para la acción conjunta de los ejes anterior y posterior y para el reparto de pesos sobre ambos ejes. Y no por último, la rigidez de la carrocería también desempeña un papel importante pues, en combinación con la geometría de los ejes, influye asimismo sobre el comportamiento de autodirección del vehículo y la estabilidad y control que puede brindar al conductor.
1.3.1 Dirección
Una dirección precisa representa una de las condiciones más importantes para la conducción segura. Pero la precisión también exige una resistencia perceptible de la dirección y suficiente fuerza de retrogiro, de modo que el conductor obtenga la sensación más directa posible acerca de las condiciones del pavimento y la marcha. Una servodirección (dirección asistida) demasiado confortable, que se deje mover con un solo dedo a cualquier velocidad de marcha, puede conducir a situaciones de extremo peligro. Por otra parte, las fuerzas de direccionamiento al estacionar y acomodar el coche deben ser lo más reducidas posibles.
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Figura 1.1 Dirección Servo Asistida.1.3.2 Frenos
Los frenos constituyen uno de los más importantes sistemas de seguridad de un automóvil. En virtud de ello, los fabricantes dedican mucho tiempo al desarrollo y diseño de los sistemas de frenado. Buena prueba de ello es que hoy en día podemos encontrar coches de la talla del Audi S4, Mitsubishi Evo X o Porche Carrera 4 capaces de pasar de 150 km/h a 0 en escasos 75 m y menos de 3½ segundos. Cuando éstos ya han parado, un coche sin ABS se mueve aún a 50 km/h y se desliza sobre el pavimento otros 100 m. Este tipo de coches son fruto de años de evolución de la industria automovilística y de aplicar las características de los WRC (World Rally Car) a los automóviles comerciales.
El bloqueo de las ruedas cuando se ejecuta una maniobra de frenado de emergencia, es una situación crítica puesto que limita la capacidad de control del automóvil por parte del conductor. Esta situación conlleva una pérdida de estabilidad y derrape del vehículo, lo cual produce un aumento de distancia y tiempo de frenado, y hace que se pierda progresividad en la frenada. Si el bloqueo se produce en las ruedas traseras, el vehículo derrapa tendiendo a cruzarse en la carretera, y si ocurre en las ruedas delanteras, el vehículo continúa en línea recta dejando inoperante el sistema de dirección.
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Estos sistemas están compuestos por un sensor de velocidad en cada rueda, que compara permanentemente la velocidad de giro de cada una de ellas con el de las restantes. Estos cuatro sensores están comunicados con una unidad de control electrónica. Si se reduce repentinamente la velocidad de una sola rueda, la electrónica da aviso del riesgo de bloqueo, a raíz de lo cual se reduce de inmediato la presión hidráulica en el tubo de freno de la llanta en cuestión, para aumentar a continuación otra vez hasta escasamente debajo del límite de bloqueo. Este ciclo se desarrolla varias veces por segundo, sujeto a vigilancia y regulación electrónicas durante toda la operación de frenado. Resultado: el vehículo sigue direccionable y su huella sigue estable incluso al frenar indistintamente del agarre o patinaje que ofrezca el pavimento. En cambio, no necesariamente se acorta el recorrido de frenado.Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica
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1.3.3 NeumáticosEl neumático es un órgano de seguridad y único lazo de unión entre el suelo y el vehículo. Su elección dependerá en gran medida del tipo de suelo sobre el que ruede normalmente el vehículo así como del modelo que lo monte.
Las funciones del neumático en el vehículo son: soportar la carga, transmitir las fuerzas de aceleración y de frenado, dirigir el vehículo, participar en la suspensión, el confort y participar en la estabilidad.
Sensores de presión en neumáticos
Es muy difícil que un neumático en buen estado e inflado a la presión correcta se reviente repentinamente, sobre todo si se le ha dado un uso normal. Generalmente, lo que sucede es que el neumático que ha sufrido un pinchazo comience a perder presión lentamente hasta quedar completamente bajo. Este proceso conlleva peligro si el conductor no percibe que uno de sus neumáticos se está desinflando, ya que al perder aire aumenta la temperatura de este, con lo que se pueden producir deformaciones e incluso la falla en el neumático.
Figura 1.3: Componentes y funcionamiento del sistema de control de presión en los neumáticos
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1.3.4 Sistema de suspensión activaEl sistema de suspensión activa o adaptativa se presenta como la respuesta a la necesidad de desarrollar vehículos seguros y capaces de combinar elevados niveles de confort, control y maniobrabilidad. Este sistema resuelve el clásico conflicto entre confort y estabilidad, manteniendo un contacto suficiente entre neumáticos y eliminando tanto el balanceo en curva como el cabeceo en la frenada.
Figura 1.4: Componentes del sistema de suspensión activa
El sistema se compone de actuadores hidráulicos que reemplazan en algunos casos al conjunto muelle-amortiguador de cada rueda, junto con bombas, sensores, servoválvulas y la unidad de control electrónico. Esta unidad monitorea constantemente el perfil de la carretera y envía señales eléctricas que controlan las suspensiones delantera y trasera. De esta forma, con el sistema de suspensión activa se consigue que el comportamiento de la suspensión sea el apropiado para cada circunstancia de la conducción.
Cuando un vehículo con suspensión activa toma una curva, el sistema limita la inclinación de la carrocería, permitiendo un mejor control del vehículo al evitar el movimiento de su centro de gravedad. Además, este sistema permite controlar el reparto de carga entre los ejes delanteros y traseros del vehículo, distribuyendo las fuerzas en la suspensión de cada rueda para que el vehículo mantenga una altura fija y nivelada sin importar su nivel de carga. Por otro lado, este sistema también permite mejorar la adherencia de cada neumático al asfalto, con lo que aumenta la capacidad de maniobrabilidad del vehículo y su nivel de seguridad activa.
1.3.5 Sistema Electrónico de Estabilidad
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Los ESP reconocen eficazmente cuando un conductor puede perder el control del vehículo y activan los frenos individualmente en cada rueda, además de reducir el par motor para ayudar a mantener la estabilidad. El sistema se compone de sensores de velocidad, de aceleración y de giro del volante, entre otros, junto con actuadores en los frenos para cada rueda y un procesador que analiza la dinámica del vehículo más de 100 veces por segundo.Cuando se realiza una maniobra brusca o a elevada velocidad en un vehículo, pueden producirse dos situaciones: el subviraje y el sobreviraje. El subviraje ocurre cuando deslizan las ruedas del eje delantero en una curva, provocando que el vehículo tienda a seguir derecho realizando una trazada más amplia que la determinada por su conductor. El sobreviraje, por su parte, corresponde al deslizamiento del eje trasero del vehículo en una curva. En estas circunstancias, el eje trasero tiende a girar más que el resto del vehículo lo que podría provocar un trompo.
SIN ESP CON ESP Figura 1.5: Funcionamiento del sistema electronico de estabilidad
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delantera izquierda, creando de esta forma una fuerza que contrarresta el sobreviraje y permite estabilizar el vehículo. Por otro lado, si en la misma curva anterior se produce subviraje, el ESP frena la rueda trasera derecha de manera que el vehículo mantenga la trayectoria escogida por su conductor. En casos extremos, el sistema también puede reducir el par motor con el objetivo de disminuir la velocidad, a través de la gestión electrónica del motor.1.3.6 Sistema distribución automática de frenado (EBD)
El EBD (Electronic Brake Distribution) representa un perfeccionamiento del sistema ABS y proporciona una extraordinaria estabilidad al frenar bruscamente en curvas, regulando individual y electrónicamente la presión de frenado en cada una de las cuatro ruedas. Este sistema utiliza la infraestructura de los frenos antibloqueo, a la que agrega un sensor del ángulo de la dirección y un control sobre la gestión del motor.
En un vehículo convencional se permite la independencia en el frenado de los ejes delantero y trasero, de manera que las ruedas delanteras efectúen la mayor parte del trabajo producto del mayor peso que reciben cuando se frena. Sin embargo, la adherencia de las ruedas, el nivel de carga o realizar una curva modifican la cantidad de frenado que puede transmitir cada rueda al pavimento. Además, en un mismo eje no hay independencia de frenado entre las dos ruedas, con lo que las dos transmiten la misma cantidad de frenada al pavimento. Este hecho no supone ningún inconveniente si el vehículo frena cuando circula en línea recta, aunque la situación cambia si el frenado se produce en una curva.
Cuando un vehículo está trazando una curva, las ruedas que van por el exterior de ella deben soportar un mayor peso debido a la acción de la fuerza centrífuga sobre la masa del vehículo. Por esta razón, las ruedas que van por el exterior de la curva pueden transmitir una mayor cantidad de frenada sin perder adherencia que las interiores. Si el vehículo cuenta con EBD, el sistema permite en estas circunstancias la independencia en la cantidad de frenada que se envía a cada rueda, con lo que se obtiene una mayor eficacia en el frenado al aprovechar al máximo la adherencia de cada rueda.
Con este sistema se logra la independencia total del frenado de las cuatro ruedas, logrando una frenada óptima.
1.3.7 Sistema de asistencia a la frenada (BAS)
Se ha demostrado que en situaciones de frenada de emergencia, la mayoría de los conductores comienzan presionando el freno con poca presión y luego la van aumentando. Este comportamiento generalmente desencadena distancias de frenado mayores a las que se podrían haber conseguido frenando apropiadamente. El comportamiento ideal en una frenada de emergencia es justo el contrario: inicialmente se debe pisar con decisión el pedal del freno, y luego ir soltando si es necesario.
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En algunos vehículos equipados con este sistema, cuando se detectan frenadas de emergencia se encienden automáticamente los intermitentes, de manera de avisar a los demás conductores que el vehículo se detendrá bruscamente.1.3.8 Acondicionamiento Fisiológico
Accidente o no accidente: esta cuestión suele depender únicamente de la rapidez de reacción del conductor. Pero sólo quien dispone de la plenitud de su condición física y mental puede reaccionar rápida y acertadamente a la vez. Es por ello que al diseñar un vehículo se contemple la buena condición del conductor como un elemento esencial de la seguridad activa.
Un buen coche está construido en todos sus detalles de modo que sea posible concentrarse plenamente al tráfico al ir al volante. El conductor va sentado cómoda y relajadamente. Su atención no sufre irritación o descuido por engorrosas búsquedas de los elementos de mando ni por molestias ambientales como serían un excesivo calor o frío, ruido o molestias por gases de escape. A este acondicionamiento se añade la mejor visibilidad posible de día y de noche, que protege la vista y los nervios, permitiendo una conducción previsora en el sentido más puro de la palabra y, por tanto, segura.
Para el dominio fiable del vehículo es fundamental el ir en posición anatómicamente correcta y relajada. A la anatomía se añade la ergonomía: Rápido y cómodo acceso a los controles, volante regulable, reposacabezas ajustable, etc. También una climatización agradable del habitáculo representa un factor esencial de la seguridad fisiológica: Si tiene que padecerse sudor al volante apenas se podrá concentrar al tráfico.
1.4 Seguridad Pasiva
No todo accidente es evitable. Por ello es preciso mantener limitadas las consecuencias para el hombre y el vehículo. Seguridad pasiva: significa, dado el caso, la mejor protección posible contra lesiones, no sólo para los ocupantes del vehículo, sino también para terceras personas eventualmente afectadas, sobre todo para peatones y ciclistas.
Junto a la minimización de los gastos de reparación para el vehículo en casos de accidentes mínimos (concepto de protección del vehículo) forma parte fija de todo desarrollo de vehículos el implementar máximos niveles de seguridad pasiva, todo ello sujeto al precepto de establecer “armonía conceptual”, o sea, la acción conjunta planificada de todos los factores que intervienen. Después de todo, el automovilista no puede escoger el tipo de accidente, sino que debe estar lo mejor equipado posible para cualquier caso concebible.
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deficiencias, puede reducir o contrarrestar el efecto de los demás. Por ese motivo, los fabricantes de automóviles dedican a todos esos puntos decisivos su esmero y su minuciosidad sin restricción alguna.A continuación se mencionan algunos elementos que forman parte de la seguridad pasiva en un vehículo:
Sistema De Retención De Ocupantes
Aun teniendo el mejor diseño de carrocería para absorber impactos en un vehículo no sirve de mucho si en caso de colisión los ocupantes no van protegidos adicionalmente por medio de sistemas de retención con ese mismo alto nivel de eficacia: sólo por medio de la acción conjunta de ambos componentes se intercepta la energía del choque de modo que se evite la presencia de una lesión al máximo.
El concepto de los sistemas de retención no se limita a los cinturones de seguridad con sus diversos equipos técnicos suplementarios, sino que también incluye los sistemas de bolsa de aire y, en el sentido más amplio, los asientos. Muchas marcas han contribuido a llevar adelante el desarrollo de todos estos sistemas, desde sus propios orígenes hasta los actuales, optimizados en múltiples aspectos.
Una gran parte de aquello que hoy se entiende como el estado técnico más reciente, está basado en la experiencia de varias décadas de investigación y desarrollo de los ingenieros de los fabricantes.
Cinturón De Seguridad
Por fortuna, hoy día no sólo existe la obligación legal de que los ocupantes de un automóvil se abrochen los cinturones de seguridad, sino que también está propagado el reconocimiento de su acierto. Lo que sin embargo a menudo puede pasarse por alto, es que los cinturones de seguridad sólo pueden cumplir óptimamente su función protectora en determinadas situaciones.
Si también los ocupantes han de beneficiarse del efecto de retención exactamente calculado para la zona de deformación de la carrocería en un impacto, es preciso que los cinturones estén estrechamente ajustados al cuerpo. De no ser así, el coche ya inicia la deceleración mientras el ocupante prosigue la trayectoria a toda marcha, para sólo ser interceptado por el cinturón varias fracciones de segundo más tarde.
Ni la mejor de las carrocerías de deformación sirve de ayuda sin el cinturón de seguridad. Ejemplo: si con una velocidad de choque de sólo 30 km/h, un ocupante de 75 Kg quisiera protegerse del choque apoyándose contra el tablero de instrumentos o contra el parabrisas, tendría que estar en condiciones de levantar aprox. 1 tonelada de peso y circulando a 100 km/h debería ser capaz de soportar 2 toneladas, Esto es algo totalmente imposible.
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pretensores del cinturón de seguridad (hoy disponibles de serie en muchos vehículos). Explicados más adelante.Otro aspecto importante: los asientos deben estar moldeados de modo que descarten lo mejor posible el deslizamiento bajo el cinturón subabdominal, el llamado efecto submarino, en cualquier velocidad de choque. Aparte de ello, cada cinturón debe ser ajustable individualmente a la talla del ocupante, para que en caso de choque no represente a su vez un riesgo de producir lesiones.
Y finalmente, un sistema de cinturones debe ofrecer por lo menos tanto confort como sea necesario para que el usuario lo utilice de buena gana. Todos éstos son criterios para los cuales no existen disposiciones legales.
Tensor del cinturón
Los cinturones automáticos se adaptan relativamente justos al cuerpo, pero en bien del confort, no van tan estrechamente ajustados como sería ideal para un caso de choque porque la fuerza de muelle es relativamente escasa del enrollador automático, el efecto de inercia tipo bobina cinematográfica y la distancia que establecen las prendas de vestir hacia el cuerpo de los ocupantes son factores que pueden costar centímetros decisivos en el caso de accidente. A esto se añade una cierta dilatación del cinturón, provocada por las extremas fuerzas de aceleración que intervienen.
Pretensor cinturón de seguridad
Ya se ha comentado la importancia de utilizar el cinturón de seguridad por su aporte en la reducción de lesiones en caso de accidente. Los pretensores en los cinturones de seguridad mejoran la eficacia de éstos en impactos de cierta consideración. En caso de impacto, estos elementos permiten que el cinturón de seguridad no sólo impida el desplazamiento de los ocupantes del vehículo, sino que también intervenga activamente para aferrarlo contra el asiento.
El pretensor cuando se activa tensa el cinturón de seguridad, manteniendo a los ocupantes pegados al asiento durante el impacto. Esto permite el correcto funcionamiento de los demás sistemas de seguridad pasiva del vehículo, como pueden ser las bolsas de aire o los apoyacabezas activos, al evitar desplazamientos de los ocupantes del vehículo.
Existen pretensores de accionamiento mecánico o pirotécnico, y pueden actuar en el carrete del cinturón, en el cierre o en ambos puntos. El accionamiento de mayor efectividad por su precisión y confiabilidad es el pirotécnico, que activa el pretensor a través de una explosión controlada de forma similar a un airbag. El pretensor se dispara a través de sensores mecánicos de inercia o bien haciendo uso de los sensores del airbag. En este último caso se obtiene una óptima complementación entre el pretensor y el airbag frontal, con lo que la combinación de estos sistemas resulta tremendamente eficaz para reducir lesiones en impactos frontales.
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En caso de accidente el cinturón de seguridad, si bien protege de una gran cantidad de lesiones graves, también puede causar algunas heridas en la región del tórax. Estas heridas se producen por la acción del cinturón de seguridad al retener el cuerpo del ocupante bajo impactos violentos.El limitador de tensión permite el estiramiento controlado del punto de fijación del cinturón de seguridad, reduciendo de esta forma la tensión de este sobre el tórax del ocupante. Por ejemplo, esto permite reducir drásticamente el riesgo de fracturas en las costillas.
Para maximizar la eficacia del cinturón de seguridad es necesario que éste se mantenga siempre sin holguras y ajustado al cuerpo del ocupante. Si existen holguras, mayor será la probabilidad que el cinturón de seguridad provoque heridas en caso de impacto. Este problema es solucionado con el pretensor para el cinturón de seguridad, el cual es un excelente complemento al limitador de tensión, ya que mejora su eficacia.
Bolsas de Aire.
Si se sufre un impacto frontal contra un objeto inmóvil, circulando a unas velocidades superiores a 30 km/h, existe un importante riesgo de sufrir lesiones graves en cabeza, cervicales y parte alta del tronco del ocupante del asiento. Para reducir las consecuencias de este tipo de accidentes se ha diseñado el sistema de bolsa de aire frontal. Básicamente, la bolsa de aire está constituido por un cojín inflable, colocado en el interior del volante en el caso del conductor y en el tablero para el copiloto, capaz de desplegarse por completo en caso de impacto, ofreciendo al ocupante del vehículo una zona sobre la que puede amortiguar su desplazamiento como consecuencia de la colisión.
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Durante el impacto, la bolsa de aire frontal entrega una suficiente área de contacto para el cuerpo del conductor, aunque no obstaculiza completamente su visión. El mecanismo que activa la bolsa es operado por fuerza de inercia, lo que evita cualquier activación inesperada producto de fallas en el sistema eléctrico del vehículo. Es importante mencionar que la bolsa de aire está diseñada para funcionar una sola vez, y que si se activa debe ser reemplazado únicamente por el fabricante del vehículo.Figura 1.6 Secuencia de funcionamiento de una bolsa de aire frontal
En combinación con el cinturón de seguridad, la bolsa de aire sirve para salvaguardar la integridad de los órganos de la cabeza y el tórax evitando su impacto contra el volante y tablero. Si se activa cuando los ocupantes no están utilizando su cinturón de seguridad, su acción es contraproducente pudiendo provocar graves lesiones.
Para el correcto uso de la bolsa de aire frontal deben seguirse los siguientes consejos:
• Utilizar siempre el cinturón de seguridad
• Sentarse a una distancia mínima de 30 cm del volante de dirección
• No ubicar nunca a un bebé en su silla de seguridad invertida si el asiento cuenta con airbag frontal. Los bebés deben ser transportados en sillas de seguridad en los asientos traseros del vehículo.
Bolsas de aire laterales
El impacto lateral tiene características distintas a las del impacto frontal. En este caso, solamente 20 a 30 cm de la estructura lateral del vehículo protegen a los ocupantes del golpe. Esta razón es citada por estudios internacionales para explicar la mayor gravedad de los accidentes en que se producen impactos laterales.
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Bolsa de aire de cortinaEn algunos impactos, la presencia de bolsas de aire laterales no es suficiente para evitar que la cabeza de los ocupantes golpee las ventanas laterales, o que salga al exterior si estas están abiertas. Para controlar esta situación se desarrolló la bolsa de aire para la cabeza, que retiene el movimiento de la cabeza de forma controlada en caso de impacto.
Figura 1.8 Tipos de airbag para la cabeza: de cortina (izquierda) y tubular (derecha)
Esta bolsa de aire se ubica en la parte interior del marco del vehículo, recubriendo el lateral a la altura de las ventanillas. En algunos modelos la bolsa es individual y de forma tubular, y en otros es un colchón de mayores dimensiones que protege a todos los ocupantes de un lado. Su tiempo de inflado es de 25 milisegundos.
Estas bolsas muestran toda su eficacia cuando se produce un impacto lateral contra un objeto estrecho, como puede ser un poste o un árbol. En estas circunstancias, la bolsa de aire para la cabeza puede hacer la diferencia entre la vida y la muerte de los ocupantes, siempre que estos utilicen el cinturón de seguridad.
Bolsas de aire inteligentes
Las bolsas de aire deben activarse bajo impactos de distintas características, con lo que para asegurar un buen desempeño en cualquier circunstancia, es necesario adaptar el proceso de detonación e inflado para cada impacto. Las bolsas de aire inteligentes recopilan información a través de un conjunto de sensores, y se despliegan de forma de maximizar su eficacia ante cada impacto.
Existen bolsas de aire que pueden reconocer si el conductor maneja muy cerca del volante de dirección, si lleva copiloto, si lleva ajustado el cinturón de seguridad o si en el asiento del copiloto hay instalada una silla para niños. Algunos desarrollos avanzados incluyen un despliegue variable en función del tamaño, peso, posición y cercanía al airbag del conductor, y pueden distinguir la naturaleza del impacto, ya sea frontal, lateral, o volcamiento.
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vehículo cuenta con bolsas de aire inteligentes no sea necesario utilizar el cinturón de seguridad. La bolsa de aire inteligente reduce los riesgos de la detonación de la bolsa de aire si no se utiliza el cinturón, pero este elemento se debe utilizar siempre para maximizar la eficacia de la bolsa de aire.Apoyacabezas activo (sistema de protección cervical)
Para reducir el riesgo de lesiones bajo un impacto trasero se debe reducir al máximo el movimiento relativo entre las cabezas de los ocupantes y el resto del cuerpo. La primera medida para evitar este riesgo es que el apoyacabezas se encuentre cerca de la cabeza de los ocupantes al momento del impacto.
Figura 1.9 Ejemplos de sistemas de apoyacabezas activos
Los apoyacabezas activos se activan bajo impactos posteriores, y están diseñados para acercarse automáticamente a la cabeza de los ocupantes en estas circunstancias. Esto no significa que no deban ser regulados tal como se hace con los apoyacabezas convencionales: la regulación de estos elementos es fundamental. Cuando se produce un impacto posterior, el apoyacabeza activo se desplaza inmediatamente hacia la cabeza del conductor, evitando que ésta se “quede atrás” en el movimiento hacia delante del resto del cuerpo. Este comportamiento permite reducir las lesiones por el llamado “efecto latigazo” que sucede en un impacto trasero o frontal.
1.4.2 Carrocería de deformación programada
Cuando se produce un accidente y el vehículo impacta un objeto rígido, su estructura se somete a una violenta desaceleración, la cual es finalmente transmitida a sus ocupantes. En estos casos, la estrategia considerada en el diseño de los vehículos actuales para proteger a sus pasajeros es dotarlos de zonas de deformación programada en sus extremos, y de un habitáculo rígido que asegure la integridad de la cabina.
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deformaciones de piezas específicamente diseñadas para cumplir esta función, junto con la dispersión de las cargas hacia los demás sectores del vehículo.La absorción de parte de la energía del impacto efectuada por las zonas de deformación programada, permite reducir la cantidad de energía que deberá absorber el compartimiento de pasajeros, y finalmente los ocupantes. Esto se traduce en pasajeros expuestos a aceleraciones de menores magnitudes, lo cual reduce la gravedad del impacto que “sienten” los pasajeros del vehículo.
Figura 1.10 Ejemplo de deformación programada en el sector frontal de un vehículo
Habitáculo indeformable
Como se comentaba en el caso de las zonas de deformación programada, los vehículos actuales están formados por zonas “blandas” para absorber la energía del impacto y zonas “duras” para proteger a los ocupantes de las consecuencias de este. El habitáculo de pasajeros, como puede esperarse, es la principal zona “dura” del vehículo. La función del habitáculo es mantener la integridad de los pasajeros en caso de accidente y permitir que los demás sistemas de seguridad pasiva que equipa el vehículo puedan cumplir su función correctamente.
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Figura 1.11 Habitáculo reforzado de un vehículo
Es importante indicar que la denominación “habitáculo indeformable” no se refiere a un tipo particular de habitáculo. Es simplemente una denominación genérica que pueden utilizar los vehículos que cumplen con los estándares internacionales exigidos en nuestro país de pruebas de impacto.
1.5. Investigación Y Desarrollo
No desde siempre los fabricantes le han dado importancia a la seguridad, pero sin darse cuenta, con su afán de conseguir vehículos más rápidos y potentes tuvieron que equiparlos con mejores frenos, una dirección más fiable y unas buenas suspensiones, de este modo estaban avanzando en seguridad activa. Décadas más tarde, cuando empezaron los análisis de accidentes reales, crearon el cinturón de seguridad de dos puntos de anclaje y posteriormente el de tres (hace 40 años) y también se empezó a fabricar carrocerías con deformación programada.
Es en este punto donde se comienzan las pruebas de impacto de vehículos para analizar todos sus efectos y proponer soluciones tecnológicas que disminuyan los efectos de las colisiones sobre los pasajeros.
1.5.1 Ensayos de Seguridad
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Muchas cosas pueden simularse actualmente con el ordenador, pero siguen siendo indispensables los ensayos de choque. Conjuntamente con ensayos de componentes, los cuales se analizan en laboratorios para situaciones de accidentes y sus consecuencias, permiten deducir fiablemente la forma cómo se comporta un vehículo en la situación de urgencia real y permiten observar lo que ocurre con los ocupantes.Maniquíes de ensayo (dummies), de alto nivel tecnológico, informan con exactitud, en simulaciones de choque, acerca de los posibles riesgos de lesiones para los ocupantes y terceros afectados.
Figura 1.12 Maniquí de prueba
Los asientos del conductor y acompañante, pero también frecuentemente las plazas traseras van ocupados por modernos maniquíes en todos los ensayos de choque. Son maniquíes de ensayo altamente tecnificados, equipados con sensores ultrasensibles, que prácticamente pueden reproducir todo lo que actúa sobre el cuerpo humano en un accidente. También la talla, masa y cinemática de estos humanoides presenta, en términos generales, medidas parecidas a las de ocupantes en vivo. Por tal motivo, ya no es concebible la moderna investigación de accidentes sin estos candidatos de prueba. Puesto que suministran resultados realistas y próximos a la vida real, que pueden ser transmitidos en gran escala al ser humano dentro de ciertos límites.
Sólo cuando todas las pruebas resultan a plena satisfacción de los ingenieros de prueba, se da el visto bueno para la producción en serie del vehículo, pero no siempre se obtienen resultados satisfactorios en las primeras pruebas, por lo que se requieren hacer modificaciones y volver a comenzar con todas las pruebas programadas originalmente; esto repercute en altos costos de pruebas y desarrollo en un vehículo por lo que muchos fabricantes han desarrollado métodos alternos a las pruebas de choque para validar sus diseños.
Un método muy solicitado por las grandes casas armadoras de automóviles son las simulaciones de choque a través de las pruebas de deslizamiento, (SLED en ingles), las cuales simulan las condiciones de una colisión real mediante un equipo completo de dispositivos de alta tecnología que reducen el tiempo y los costos de investigación y diseño en construir un nuevo carro o camión.
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una pista con una plataforma capaz de moverse libremente a lo largo del corredor. Como se muestra en la figura 1.13.Figura 1.13 dispositivo de deslizamiento para simular impactos.
Sobre esta plataforma se coloca un buck que es un a representación exacta de la zona del vehículo con los componentes que se desean probar (asientos, tablero de instrumentos, parabrisas, bolsa de aire, cinturones de seguridad, etc) dependiendo del elemento del vehículo que se requiera estudiar. Los maniquís de prueba de accidentes también son colocados en el back para observar los efectos sobre los pasajeros.
Una vez representadas las condiciones del vehículo de prueba en el back se procede a lanzar la plataforma a lo largo de la pista, esto se hace mediante un pistón neumático que impulsa súbitamente la plataforma con la aceleración y el tiempo de impulso necesarios para simular un impacto real (altas velocidades en intervalos de tiempo muy pequeños).
Para controlar este impulso es necesario diseñar un pulso que controle el pistón neumático del vehículo y con esto obtener una simulación real.
Principio de Operación
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en la cámara A. En el otro lado del pistón, sólo un área más pequeña dentro de la junta está expuesta a través del orificio de apertura a la presión del gas en la cámara B.Figura 1.14 Funcionamiento del pistón de simulación de impactos.
El
El impulso y la masa de la muestra rigen la aceleración de la prueba. Para producir una aceleración de forma de onda, se adjunta un dispositivo a la base del eje del pistón el cual pasa a través del orificio en la cámara B y tiene diferentes diámetros lo que da como resultado diferentes aceleraciones mientras el pistón se mueve a lo largo de la cámara B.
gas comprimido se introduce en la cámara de B hasta que las fuerzas de empuje sobre el pistón son igualadas. Cualquier modificación de la presión en la cámara B modifica este equilibrio, permitiendo que la presión en la cámara A mueva el pistón creando un empuje que se transmite hacia la plataforma.
Figura 1.15 Pistón de aceleración variable.
Este p
En la actualidad existen equipos más avanzados que incorporan tecnología de ultima generación en para conseguir mucho mas exactitud en la simulación de impactos, teniendo grandes resultados y evitando costos de desarrollo de vehículos.
rincipio es aplicado a los ensayos de seguridad, simula las condiciones de desaceleración longitudinal de un impacto real, pero a la inversa. Con el sistema el ensayo y el montaje de vehículos maniquí son inicialmente a cero la velocidad. Esta situación simula las condiciones de velocidad constante antes de un accidente real.
Cámara
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En la siguiente ilustración se muestra las aceleraciones que existen entre un impacto real y una simulación usando un equipo de última tecnología:Figura 1.16 Comparación entre un choque real y uno simulado.
1.5.2 Durabilidad
Hoy en día los productos en general son demandados por la sociedad en base a las necesidades que satisfacen en los clientes que los adquieren. Es normal que un producto que satisface mas necesidades al mismo tiempo tenga más demanda que productos similares que no tienen las mismas características, un ejemplo de este fenómeno mercantil es la jerarquía de las marcas, el por qué una marca es mejor que otra se define por lo bueno o malo que resulta un producto adquirido por un cliente es por esto que muchas compañías se preocupan por la buena calidad de sus productos. En el caso de la industria automotriz uno de las características más valoradas por los clientes es cuánto tiempo dura su vehículo sin descomponerse o presentar alguna falla.
El método más seguro de identificar componentes automotrices que tienen una menor calidad a la requerida, por su objetivo funcional para el que fueron diseñados, es someterlo a realizar esa función en un ciclo definido y esperar a que no falle o que falle en un rango de ciclos aceptable. En general en un automóvil se diseña un ciclo de funcionamiento que tiene muchas rutinas a realizar en cada ciclo como puede ser, prender y apagar el motor para verificar el sistema de arranque, abrir y cerrar las puertas para validar las manijas y sistema de chapas, realizar un recorrido de la unidad para acumular kilometraje y validar todos los sistemas del vehículo, prender y apagar los faros para revisar el sistema eléctrico de iluminación, recorrer distancia en reversa, etcétera.
