ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA SECCION DE ESTUDIOS DE POSTGRADO E INVESTIGACION
Unidad Profesional Zacatenco
“OPTIMIZACION DE UN DESACELERADOR
PARA PRUEBAS DE SIMULACION DE IMPACTO (SLED)
DE VEHICULOS COMPACTOS”
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS
Con especialidad en
INGENIERIA MECANICA
P R E S E N T A:
MOISÉS JIMÉNEZ MARTÍNEZ
DIRECTOR:
DR. JOSE MARTINEZ TRINIDAD.
.
Por permitirme obtener todo lo que he logrado, por darme la oportunidad de seguir luchando en la vida.
A mi Mama(Francisca):
Por brindarme siempre el apoyo aun en los momentos mas difíciles que hemos tenido en la vida, por enseñarme a ser de lucha a arriesgar y vencer. A amar la vida y a perdonar.
A mi Papa(Juan):
Por creer en mí y enseñarme con el ejemplo a buscar siempre lo mejor.
A mis hermanos(Lourdes y Angel):
Que sin pedir nada a cambio me han brindado su apoyo, por enseñarme su coraje para enfrentar la vida.
A mis Abuelas(Agapita y Socorro)+:
Por darme el coraje y sabiduria para no dejarme vencer.
A mis Abuelos(Francisco y Serafín) :
Por todos sus consejos.
De manera muy especial a Zaira:
Por que con todo tu amor, motivación que siempre me has mostrado, me impulsas a seguir y no decaer en las metas y objetivos que me propongo por el apoyo que me has brindando a
tu manera. Por lo que representas en mi vida, y por que voy a compartirla contigo.
Gracias por todo lo que me han dado, toda una vida no es suficiente para compensarles su apoyo incondicional en todos los proyectos e ideas que he emprendido, significan mucho
para mi y son parte fundamental en cada paso de mi vida.
Por todo esto a Dios y a ustedes, Gracias. Con cariño, admiración y respeto.
Por todo lo que me ofreció para mi superación,
sin duda alguna siempre recordare mi alma mater y haré todo lo posible por dejar muy en alto el nombre del Instituto Politécnico Nacional
A la Sección de Postgrado de la ESIME Unidad Profesional Zacatenco:
Por brindarme la oportunidad de obtener el grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica.
Al Dr. Jose Martinez Trinidad:
Por su dirección y apoyo brindado para la realización de este trabajo.
Al Ing. Juan Antonio Castro Rodarte y al grupo SHAIP del IMP:
Quien durante mi paso por el Instituto Mexicano del Petróleo me brindo su apoyo incondicional dándome la oportunidad de seguirme preparando personal y profesionalmente así como transmitirme el interés por el desarrollo tecnológico de herramientas y servicios en Ingeniería Mecánica, también a los compañeros del grupo de Sistemas y Herramientas para la Adquisición de Información en Pozos, por las experiencias
vividas.
Al Ing. Esteban Ramirez Venta y la Gerencia de PyM de VWM:
Por el apoyo recibido para realizar este trabajo de tesis y permitirme seguir
especializándome en el desarrollo de producto con herramientas CAD/CAE en la gerencia de Pruebas y Mediciones, así como por sus conocimientos transmitidos en el área de Seguridad Vehicular; también a los compañeros de Pruebas y Mediciones en especial a las
áreas de Pruebas de Hidropulsador y Seguridad Vehicular
Al comité de Revisión y jurado:
Gracias por las contribuciones a este trabajo de tesis.
A todas las personas que de alguna u otra manera contribuyeron en mi formación de postgrado y para la realización de esta Tesis. Muchas Gracias¡¡
A VECES SENTIMOS QUE LO QUE HACEMOS ES TAN SOLO UNA GOTA EN EL MAR, PERO EL MAR SERÍA MENOS SI LE FALTARA UNA GOTA
TESIS DE MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECANICA
Contenido
Tema Página
Índice i
Índice de figuras iv
Índice de tablas vii
Simbología viii
Resumen ix
Abstract x
Objetivo xi
Justificación xi
Introducción xii
Capitulo 1 “Sistemas de seguridad Automotriz”
1.1 El automóvil 1 1.2 Fuerzas sobre el vehiculo 1 1.2.1 Energía de deformación 2
1.2.2 Fuerza Centrifuga 3
1.2.3 Hidroplaneo 4
1.2.4 Distancia segura para vehículos en movimiento 4
1.3 Dinámica Vehicular 5
1.4 Criterios de seguridad en el automóvil 6
1.4.1 Seguridad activa 7
1.4.1.1 Seguridad activa en el motor 8
1.4.1.2 Seguridad activa en la transmisión 8 1.4.1.3 Control de tracción en los vehículos 8 1.4.1.4 Seguridad activa en los frenos 8 1.4.1.5 Seguridad activa en la suspensión 9 1.4.1.6 Seguridad activa en la dirección 11
1.4.2 Seguridad Pasiva 12
1.4.2.1 Columna de dirección fraccionada 12
1.4.2.2 Cinturones de seguridad 13
1.4.2.3 Bolsas de aire (“Air Bag”) 14
1.4.2.4 Otros elementos de seguridad 15
1.5 Referencias 16
Capitulo 2 “Pruebas de seguridad automotriz”
2.1 Introducción 17
2.2 Pruebas de impacto de vehiculo completo 17
2.2.1 Artículos de prueba antropométrico 19
2.2.1.1 Antropometría 20
2.2.1.2 Instrumentación 21
TESIS DE MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECANICA
2.3 Prueba de simulación de impactos (Sled) 21
2.4 Prueba de componentes 25
2.5 Referencias 26
Capitulo 3 “Conceptos teóricos”
3.1 Diseño 27
3.1.1 Preparaciones para el trabajo de diseño 28
3.2 Mecánica 28
3.3 Problemas de Ingeniería 30
3.4 Método del elemento finito 30
3.4.1 Como funciona el método del elemento finito 31
3.4.1.1 Tipos de elementos 31
3.4.2 Análisis no lineal 33
3.4.2.1 Método de solución de ecuaciones no lineales Newton Rapshon 34 3.4.3 Programas comerciales de elemento finito 36
3.5 Concentración de esfuerzos bajo carga estática 37
3.6 Teoría de falla de Von Mises 38
3.7 Referencias 39
Capitulo 4 “Rediseño del cilindro amortiguador del desacelerador”
4.1 Introducción 40
4.2 Descripción del equipo de pruebas de simulación de impactos (Sled) 40
4.2.1 Masa de reacción 40
4.2.2 “Sled” o deslizador 41
4.2.3 Sistema de iluminación 41
4.2.4 Carrocería reforzada “Panzer” 42
4.2.5 Desacelerador 42
4.3 Análisis del cilindro original 43
4.4 Diseño y análisis del nuevo cilindro para 18000psi 46
4.4.1 Calculo de la longitud de las roscas 52
4.4.2 Calculo de vida útil 54
4.5 Ingeniería de detalle 55
4.6 Fabricación 57
4.7 Referencias 58
Capitulo 5 “Optimización de la plataforma”
5.1 Introducción 59
5.2 Análisis de la base original 59
5.3 Análisis de impacto 62
5.4 Diseño y análisis del modelo propuesto 64
5.5 Análisis de impacto de la plataforma con las modificaciones propuestas 67
5.6 Pruebas experimentales 69
TESIS DE MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECANICA
5.8 Referencias 72
Capitulo 6 “Diseño de absorbedor de impactos”
6.1 Introducción 73
6.2 Diseño conceptual 73
6.2.1 Simulación de elemento finito del absorbedor de impactos con panel. 75 6.2.2 Pruebas experimentales de absorbedor con panel. 80
6.3 Referencias 81
Conclusiones 82
Trabajos futuros 83
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Índice de figuras
Figura Página
1.1 Toyota Prius 1
1.2 Vista general de una carrocería 2
1.3 Estructura de llantas (a) diagonales, (b) radiales 4 1.4 Desaceleración de vehículos ligeros y pesados en pruebas de la NCAP 7 1.5 Esquema general de un sistema de control de tracción 8
1.6 Sistema de frenos (a) de disco, (b) cerámicos 9
1.7 Zona de confort 10
1.8 Componentes comunes en una suspensión trasera con eje rígidos 10 1.9 Componentes comunes de una suspensión delantera con brazo McPherson 10
1.10 Estabilidad en un vehiculo 11
1.11 Sistema de dirección 13
1.12 Cinturones de seguridad 14
1.13 Apertura de bolsa de aire 14
1.14 Bolsas de aire laterales 15
1.15 Silla para niño 15
1.16 Apertura de cofre en un impacto 15
1.17 Bolsas de aire para evitar daños en los peatones 16
2.1 Pruebas de impacto realizadas en CESVI México 18
2.2 Pruebas de impacto frontal 18
2.3 Pruebas de impacto lateral 18
2.4 Modelo para representar un impacto 19
2.5 Historial de desaceleración 19
2.6 Vista general de un “dummy” 19
2.7 Acelerómetros y celdas de cargas en dummies 20
2.8 Familia de “dummies” 20
2.9 Sistema de coordenadas para un dummy 21
2.10 Pruebas de simulación de impactos “Sled” 22
2.11 Sistema de referencia tridimensional 22
2.12 Modelo de elemento finito de un cuerpo de automóvil para análisis no lineal 23 2.13 Aplicaciones del análisis de elemento finito en diseño automotriz 23
2.14 Familia de THUMS 24
2.15 Modelo de ocupante con órganos internos individuales 24
2.16 Modelo de cabeza y cerebro 24
2.17 Condiciones de prueba aplicada por EuroNCAP 25
3.1 Ciclo de desarrollo de un producto 27
3.2 Malla de un sistema mecánico 31
3.3 Ejemplos de elementos finitos 32
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3.5 Método iterativo de Newton Rapshon 36
3.6 Paso en un análisis no lineal 36
3.7 Zonas principales de una grafica esfuerzo deformación 37 3.8 Energía de deformación interna almacenada en una pieza deformada 38
4.1 Masa de reacción 40
4.2 Vista general del sistema SLED 41
4.3 Baterías para el sistema de iluminación 41
4.4 Carrocería Reforzada “Panzer” 42
4.5 Desacelerador 42
4.6 Arreglo de orificios 43
4.7 Modelo 3D del cilindro amortiguador 43
4.8 Esfuerzo Vs. deformación del acero 1018 43
4.9 Modelo de elemento finito del cilindro 44
4.10 Presión aplicada 44
4.11 Restricciones espaciales 45
4.12 Esfuerzos de Von Mises 45
4.13 Esfuerzo vs. Deformación del acero 4340 46
4.14 Restricciones espaciales para el diseño propuesto 47
4.15 Esfuerzos de Von Mises para propuesta inicial 47
4.16 Modelo conceptual para la propuesta inicial 48
4.17 Propiedades principales del acero 4340 48
4.18 Dimensiones de la probeta para pruebas de tensión 49
4.19 Prueba de tensión 49
4.20 Esfuerzo vs. Deformación obtenida de la prueba de tensión 49
4.21 Modelo 3D de la propuesta final 50
4.22 Modelo de elemento finito propuesta final 50
4.23 Restricciones espaciales propuesta final 51
4.24 Esfuerzos de Von Mises en la propuesta final 51
4.25 Vista general del cilindro amortiguador del desacelerador 52
4.26 Curva S-N para acero 4340 55
4.27 Comparacion entre modelos 3D del desacelerador 55
4.28 Partes principales del cilindro amortiguador del desacelerador 56
4.29 Ingeniería de detalle 56
4.30 Fabricación del desacelerador 57
4.31 Plano para fabricación de conectores 57
4.32 Diferencia entre conectores para 7,000 psi y el calculado para 18,000psi 58 4.33 Arreglo de barrenos en cilindro con conectores para 18,000psi. 58 4.34 Cilindro amortiguador para 18,000psi montado en la base sísmica 58
5.1 Equipo de instrumentación utilizado 59
5.2 Modelo 3D de la plataforma del “Sled” 59
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5.4 Calidad de la malla 60
5.5 Condiciones de frontera 61
5.6 Esfuerzo vs. Deformación acero estructural A36 62
5.7 Resultados obtenidos 62
5.8 Condiciones de frontera para el análisis explicito 62 5.9 Contacto entre el vástago y la parte frontal de la base 63 5.10 Esfuerzos de Von Mises encontrados en el análisis de impacto 63 5.11 Esfuerzos de Von Mises encontrados considerando la resistencia ultima 64 5.12 Modelo de elementos finitos de los diseño propuesto 64
5.13 Modelo de elemento finito de la propuesta final 65
5.14 Calidad de malla del diseño propuesto 65
5.15 Resultados obtenidos 66
5.16 Esfuerzos de Von Mises encontrados en el análisis de impacto en
la plataforma propuesta 67
5.17 Esfuerzos de Von Mises encontrados en el análisis de impacto plataforma
Propuesta con resistencia ultima del acero A36 y limite elastico del A572 68
5.18 Esfuerzo vs. Deformación acero estructural 68
5.19 Historial de desaceleración encontrado en la simulación 68
5.20 Filtrado de la señal en Diadem 69
5.21 Historial de desaceleración en la simulación con filtro CFC60 69
5.22 Acelerómetros 69
5.23 Prueba de plataforma 70
5.24 Historial de aceleración obtenida en la prueba de la plataforma 70 5.25 Historial de aceleración obtenida en la simulación 70 5.26 Condiciones de frontera para análisis explicito completo 71
5.27 Contactos 71
5.28 Esfuerzos de Von Mises encontrados 71
5.29 Historial de desaceleración encontrado en la simulación 72 5.30 Historial de aceleración obtenidos en la simulación del modelo ajustado
con filtro CFC 60. 72
6.1 Absorbedores de impacto hidráulicos 73
6.2 Propuesta absorbedor de impactos hidráulico 74
6.3 Propuesta absorbedor de impactos mecánico 74
6.4 Absorbedores de impacto mecánicos con gomas 74
6.5 Absorbedores mecánicos con panel de aluminio 75
6.6 Esfuerzo vs. Deformación aluminio 76
6.7 Condiciones de frontera 76
6.8 Contactos 76
6.9 Resultados de la simulación del absorbedor de impactos 77
6.10 Elementos del absorbedor de impactos 78
6.11 Condiciones de frontera 78
TESIS DE MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECANICA
6.13 Resultados de la simulación del absorbedor de impactos propuesta final 79 6.14 Historial de desaceleración encontrada en la simulación 80 6.15 Historial de desaceleración en el software Diadem con filtro CFC60 80
6.16 Resultados de la prueba experimental 80
6.17 Historial de desaceleración obtenida en la prueba 81
Índice de tablas
Tabla Página
1.1 Rendimientos típicos de frenado 5
1.2 Fuerzas y aceleraciones sobre el vehículo 6
2.1 Dummies disponibles y sus campos de aplicación 21
2.2 Regulaciones europeas en pruebas de impacto 25
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Simbología
m - Masa (Kg) v - Velocidad (m/s)
Ec - Energía cinética (Joules) ef- Espacio de frenado (m)
- Coeficiente de adherencia entre el suelo y la llanta g- Aceleración de la gravedad 9.81m/s2
r- Radio de curva (m) Fx- Fuerza en la dirección x
ax- Aceleración en la dirección x (m/s2)
Tx- Torque alrededor del eje x.
Ixx- Momento de inercia alrededor del eje x
x- Aceleración alrededor del eje x.
vo- Velocidad inicial (m/s)
x - Posición final del auto (m) xo- Posición inicial del auto (m)
t - Tiempo (s)
a - Aceleración (m/s2)
c - Centro de masa
Fz- Fuerza en la dirección z.
l - Distancia entre llantas (a1+a2)
- Ángulo del camino con la horizontal (perpendicular a g) ASn - Mínima área cortante para roscas internas
ASs - Mínima área cortante para roscas externas 1/P = Número de hilos por pulgada
LE = Longitud
dmin - Mínimo diámetro mayor de la rosca externa d2min - Mínimo diámetro del paso de la rosca externa D1max - Máximo diámetro menor de la rosca interna D2max - Máximo diámetro del paso de la rosca interna. St - Resistencia ultima del material.
QFD - Despliegue de funciones de calidad. Por sus siglas en ingles “Quality Function Deployment”
u - Vector de desplazamiento
f - Vector de fuerzas generalizadas
K - Matriz de rigidez del sistemae i
TESIS DE MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECANICA
Resumen
La industria automotriz realiza numerosas pruebas para diseñar y validar cada uno de los diferentes componentes del vehiculo entre ellos los elementos de seguridad pasiva.
La prueba mas completa es la de impacto en la cual un vehiculo prototipo o serie se impacta contra una barrera u otro vehiculo para conocer el comportamiento de la carrocería y cada uno de los componentes los cuales deben de cumplir los requerimientos establecidos en las regulaciones o normas de los distintos mercados. Para disminuir los costos se realizan pruebas de simulación de impacto comúnmente conocidas como “pruebas de Sled”, en las cuales se montan las piezas que se requieren evaluar en un dispositivo o carrocería especial preparada para este propósito y se somete a las mismas desaceleraciones que sufriría en un impacto.
En la prueba es importante grabar videos de alta velocidad y definición para conocer el comportamiento de diferentes partes del cuerpo (cabeza, cuello, pecho) donde se miden las desaceleraciones para realizar esto se montan dispositivos de prueba antropométricos conocidos como “dummies” los cuales tienen sensores para medir aceleración, desplazamiento los “dummies” pueden ser masculinos o femeninos, niños o recién nacidos y representan una parte de la población.
Se pueden realizar impactos traseros, laterales y frontales este ultimo requiere algunas veces desaceleraciones de 80g (donde g es la aceleración de la gravedad). El equipo de pruebas con el que cuenta actualmente VWM de México tiene una capacidad máxima de 30g
En este trabajo se rediseñara el desacelerador incrementado su capacidad de 6,000psi a 18,000psi para reproducir el impacto frontal, para realizar esto se optimizara el cilindro amortiguador del desacelerador con simulaciones no lineales de elemento finito para encontrar su diámetro y material requerido, se realiza la ingeniería de detalle para su fabricación y finalmente pruebas.
Se analizara la plataforma donde se montan los dispositivos de prueba con análisis estático no lineal para mejorar su resistencia mecánica, con una optimización estructural, disminuyendo los niveles de esfuerzos y mejorando los desplazamientos en Z para evitar daños en los equipos de medición, se realiza una simulación de impacto para conocer los niveles de desaceleración.
Finalmente se realiza el diseño de un absorbedor de impactos mediante una simulación no lineal, para conocer como un material como el panel de aluminio absorbe la energía, a partir de los historiales de aceleración para realizar una correlación con pruebas experimentales.
TESIS DE MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECANICA
Abstract
The automotive industry makes many tests to design and validate each of the different components of the vehicle between them the devices of passive safety.
The more complete test is the crash in which a prototype o serie vehicle crash against a barrier or other vehicule to get the behavior the body car and the each component which must satisfy the standards requirements or regulations of each different market. For reduce costs we can perform test of crash simulation commonly known as “Sled test”, in which mounting the parts that we can evaluate in the device o special body car prepared for this purpose and reproduce the same decelerations in a car crash.
In the test is very important to record videos of high velocity and definition for know the behavior of many body parts (head, neck, chest) where measure the decelerations for do this, are mounted anthropometric devices known like dummies. Which have sensors for measure acceleration, and displacement, the dummies can be male or female, children or crabby and represent one part of the population
Can perform rear impact, lateral and frontal the last sometimes need decelerations of 80g (where g is the gravity acceleration). The test stand which have actually Volkswagen Mexico have maximum capacity of 30g.
In this work we redesign the decelerator for increase the capacity of 6,000psi to 18,000psi for reproduce the frontal crash, for do this we have to optimize the decelerator´s damper cylinder with nonlinear finite element simulations to get the diameter and material, need for it, after that we draw the detail engineering for manufacturing and finally test.
Analyze the platform where the test devices are mounted with nonlinear static analysis and impact for improve its mechanical strength, with a structural optimization, decreasing the stress levels and improve the displacement in the Z direction for avoid damage in the measuring equipment.
Finally perform a design for bump shock absorber through nonlinear simulation for know how one material like a aluminum panel absorbs the energy from a deceleration histories for do a correlation with experimental test, perform a crash simulation for know the decelerations levels
TESIS DE MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECANICA
Objetivo
Rediseñar el cilindro amortiguador del desacelerador para soportar 18,000psi empleando programas comerciales de elemento finito, así como el cálculo analítico de los nuevos conectores.
Caracterizar la plataforma para determinar su capacidad máxima y proponer mejoras para incrementar su vida útil, realizando simulaciones estáticas y dinámicas empleando el programa Abaqus, realizando una correlación con pruebas experimentales.
Adicionalmente se propondrá un diseño de un absorbedor de impactos.
Los entregables de este trabajo consisten en el rediseño de un cilindro amortiguador para soportar 18,000psi, la caracterización de la base y la propuesta de diseño para un absorbedor de impactos.
Justificación
La gerencia de pruebas y Mediciones de desarrollo técnico de Volkswagen cuenta con un equipo de pruebas de “Sled” con los que inicialmente se realizaban pruebas de simulación e impactos muy limitadas al contar con un desacelerador que soporta 30g .
Para evaluar y desarrollar componentes como lo son los asientos, bolsas de aire e interacción biomecánica, se requiere reproducir un impacto frontal con un comportamiento de 80g.
Al poder reproducir estos niveles de desaceleración se podrá evaluar el comportamiento de estos dispositivos teniendo la oportunidad de modificar los tiempos de apertura de la bolsa de aire la forma de doblarla, el material para la costura, etc., y su influencia en el desarrollo biomecánico para evitar desaceleraciones que el cuerpo no soporte; así mismo permitirá conocer los niveles de penetración del cinturón de seguridad y conocer como las diferentes partes del cuerpo se impactan contra el interior del vehiculo. Sufriendo daños, dependiendo de la severidad de estos se da una calificación de la seguridad del automóvil en unos mercados y en otros como el de estados unidos si no cumple los requerimientos no pueden ser vendidos, de aquí la importancia de poder cumplir y desarrollar estas pruebas.
Se tendrán ingresos por la venta de tecnología y realización de pruebas así como la disminución de costos para VWM ya que una prueba de este tipo en Estados Unidos cuesta alrededor de 7,500USD, en Alemania 5000Euros y en México 5700USD por lo que se reducen costos y tiempos de desarrollo.
TESIS DE MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECANICA
Introducción
El área de pruebas de vehiculo completo perteneciente a desarrollo técnico de Volkswagen México, cuenta con diferentes dispositivos para probar la seguridad de los vehiculo, uno de los laboratorios dentro del área de Pruebas y mediciones es el de pruebas de simulación de impacto “Sled”. Este laboratorio esta compuesto por el área de control, el área de pruebas y el área de calibración de maniquíes “dummies”, su objetivo es el de reproducir el comportamiento de un impacto para evaluar los elementos pasivos de seguridad (cinturones de seguridad, bolsas de aire) así como conocer el comportamiento biomecánico del cuerpo durante el impacto tanto los niveles de desaceleración que sufren partes importantes como el cuello, la cabeza, la penetración que sufre el pecho con el cinturón de seguridad, como la interacción del cuerpo con las partes del vehículo. Los niveles encontrados de seguridad para los pasajeros es lo que determina el numero de estrellas que se asigna a este vehiculo.
La importancia de reproducir a detalle cada parte de un impacto se debe a que son eventos transitorios la mayoría de los comportamientos que se reproducen es en unos cuantos milisegundos 70 o 150 milisegundos; durante este tiempo se deben activar los pirotecnicos para la bolsa de aire los cuales se disparan al alcanzar ciertos niveles de aceleración, el correcto funcionamiento de las bolsas de aire se debe garantizar para que abran alrededor de unos cuantos milisegundos después de haber iniciado el impacto para evitar que el cuerpo tenga un impacto directo con el volante, parabrisas, puertas etc., dependiendo del tipo de la colisión la cual puede ser frontal, lateral, trasera, para lo cual se deben realizar estudios de tipo de material, costuras, formas de doblar la misma bolsa, cada uno de estos factores juega un papel importante, de aquí la importancia de desarrollar varias pruebas para optimizar estos tiempos, que va de la mano con otras variantes como la rigidez de la carrocería..
Para poder desarrollar este trabajo se estructura la tesis de la siguiente manera:
-En el capitulo 1 se da una introducción a los sistemas de seguridad vehicular, una visión de los sistemas de seguridad pasiva y activa con los que cuentan los vehículos.
-En el capitulo 2 se conocen las diferentes pruebas que se realizan para conocer los niveles de seguridad vehicular y una visión general de los dispositivos de prueba antropométricos.
-En el capitulo 3 se conocen los conceptos teóricos necesarios para entender el desarrollo del trabajo.
-En el capitulo 4 se rediseña el cilindro amortiguador del desacelerador, se parte desde el análisis del cilindro original, posteriormente se realiza el diseño del nuevo cilindro se realiza el calculo de los nuevos conectores a emplear, después de esto se fabrica se monta en la base sísmica y se realizan pruebas experimentales para comprobar su funcionamiento.
-En el capitulo 5 se realiza el análisis de la base para conocer su comportamiento bajo la condición de carga critica, realizando análisis estático y de impacto, se realiza pruebas experimentales para realizar una correlación del análisis de impacto.
En el presente capítulo se da una introducción a la seguridad Automotriz, a los sistemas de seguridad activa los cuales actúan con el funcionamiento normal del vehiculo cuando se desplaza; entre estos se encuentra:, el sistema de frenado, que permite reducir la velocidad del automóvil; el sistema de dirección, encargado de dirigir la trayectoria del vehiculo; el sistema de suspensión, que contribuye a la estabilidad.
1.1 El Automóvil.
El automóvil generalmente se mueve mediante un motor de combustión interna en algunos países se utiliza biocombustibles tales como el bioetanol y el biodiésel, que se fabrican a partir de plantas como maíz, o caña de azúcar. Se tienen automóviles híbridos, figura 1.1, que poseen un motor de combustión interna y un motor eléctrico; este último funciona cuando el automóvil circula a poca velocidad, en algunos modelos con el otro motor apagado. Las baterías se recargan con la energía liberada al frenar el automóvil.
Figura 1.1. Toyota Prius 2004
Otra fuente de energía para el automóvil es el hidrógeno. La combustión del hidrógeno con el oxígeno deja como único residuo vapor de agua. Hay dos métodos para aprovechar el hidrógeno, un motor de combustión interna o con pilas de combustible, una tecnología actualmente cara y en pleno proceso de desarrollo. También existen motores experimentales que funcionan propulsados por aire comprimido o por energía solar.
1.2 Fuerzas sobre el vehiculo.
Cuando se acelera un vehiculo la potencia desarrollada por el motor en energía cinética la cual es directamente proporcional a la masa del cuerpo y al cuadrado de su velocidad.
2
2 1mv
Ec (1.1) Esta energía cinética, debida al movimiento transmitido por el motor al automóvil, se manifiesta cuando se desacopla de la transmisión el motor como una fuerza que, aplicada al centro de gravedad del vehiculo, lo empuja para continuar el movimiento; ahora es una fuerza de inercia.
El primer principio de la termodinámica enuncia que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma; en consecuencia, cuando queremos detener nuestro vehiculo hemos de transformar la energía cinética generada al acelerar en una energía cuya manifestación se oponga o contrarreste los efectos de la fuerza de inercia hasta eliminarla.
g v ef 2
2
(1.2)
Cuando un vehiculo tiene en sus sistema de frenado un dispositivo antibloqueo por sus siglas en ingles (ABS), el espacio de frenado es sensiblemente igual al calculado teóricamente con la formula anterior; si no se posee, se bloquean las ruedas, el espacio de frenado es 10% mayor.
Al acelerar, la energía cinética además de comunicarla al vehiculo, también la comunicamos a todas las personas y objetos situados en su interior; tanto es así, que al aplicar el sistema de frenos enérgicamente, si los cuerpos de los ocupantes del vehiculo no están sujetos a sus asientos, la desaceleración producida actuara sobre la masa de su cuerpo transformándose en una fuerza de inercia que les empujara, en el sentido de la marcha, hasta consumir su exceso de energía y se golpearan contra el parabrisas o contra los asientos delanteros, a menos que estén utilizando el cinturón de seguridad y sea este el encargado de absorber (por su deformación) esta energía.
Si se produce una colisión, las desaceleraciones pueden llegar a valores de más de 100g, con lo cual sobre los ocupantes actúan unas fuerzas de inercia enormes. Para percatarnos de la magnitud de estas fuerzas cabe señalar que, en las colisiones frontales de los camiones, estas fuerzas ocasionan el desplazamiento de la carga situada en la caja del camión, y esta carga, en su desplazamiento, es capaz de romper los medios de sujeción y aplastar la cabina del conductor.
1.2.1 Energía de deformación.
Las carrocerías (figura 1.2), chasis y bastidores de los vehículos automóviles se construyen principalmente de acero.
Figura 1.2. Vista general de una carrocería.
absorben estos esfuerzos deformándose hasta disipar totalmente la energía cinética almacenada con la velocidad. Según la cantidad de energía desarrollada por los vehículos que intervienen en la colisión, esta puede causar esfuerzos superiores al límite de rotura, destrozando la estructura del automóvil.
Por este motivo se diseñan carrocerías con zonas de alto poder de deformación delante y detrás del habitáculo con dos funciones: una, habitual, como soporte y la otra que, en caso de colisión, actué para absorber las fuerzas de deformación sin que estas lleguen a afectar a los ocupantes del vehiculo quienes, gracias a los cinturones de seguridad, podrán evitar ser lanzados contra el interior del coche.
Comúnmente hay dos tipos de estructuras en los vehículos, monocasco o carrocería de una sola pieza y en el otro tipo tenemos la carrocería y el chasis separado. El tipo monocasco tiene piezas delgadas de metal estampado en formas complejas y soldadas para proporcionar la fuerza requerida. La estructura resultante es usualmente mas rígida y ligera que una usando por separado el chasis y la carrocería, estos son normalmente encontrados en vehículos compactos.
Las desventajas de construcción del tipo monocasco son:
1.- Se transmite más ruido y vibración del camino
2.- Se tiene un problema serio de seguridad debido a que los impactos atacan los puntos de unión para el motor, transmisión o suspensión.
3.- Los costos de reparación son mayores porque grandes porciones de la carrocería pueden ser cortados y reemplazados para mantener la integridad estructural.
4.-Los costos de manufactura son mayores debido a las necesidades de equipo mas sofisticado de soldadura y proceso de estampado.
Sin embargo esta carrocería soporta una transmisión y plataforma de chasis mas moderna y puede superar algunas de estas desventajas.
Algunos vehículos de pasajeros en Norte América y la mayoría de camionetas y los vehículos utilitarios deportivos por sus siglas en ingles (SUV) tienen separado el chasis y la carrocería o cabina. El chasis es hecho de acero rectangular, cuadrado o tubos que son soldados juntos. El diseño del chasis incluye miembros cruzados formando series de rectángulos abiertos que proporcionan rigidez y soporte a la transmisión.
Un chasis separado es pesado y no tiene rigidez especial sin el uso de brazos formando X en el compartimiento del pasajero.
1.2.2 Fuerza centrifuga.
geométrico de la curva de la carretera. Aunque no realice un giro de 360º, por pequeña que sea la longitud del trazado en curva de la carretera, aparece la fuerza centrifuga.
El valor de la fuerza centrifuga es igual al producto de la masa del vehiculo multiplicada por el cuadrado de su velocidad, dividido por el radio de giro:
r v m
Fc 2 (1.3) La fuerza centrifuga se manifiesta aplicada al centro de gravedad del automóvil y su dirección es la del radio de la curva tirando del coche hacia el exterior de esta. Este esfuerzo es contrarrestado por la adherencia de los neumáticos a la carretera.
Si el valor de la fuerza centrifuga sobrepasa el valor de la fuerza de adherencia, el vehiculo saldrá de su trayectoria. Por este motivo, lo aconsejable es abstenerse de frenar cuando se toma una curva. La adherencia dependerá del piso y de la llanta, figura 1.3, las cuales se clasifican de acuerdo al tipo de construcción en: diagonal y radial.
(a) (b)
Figura 1.3. Estructura de llantas (a) diagonales, (b) radiales
1.2.3. “Aquaplanning” o Hidroplaneo
Los neumáticos tienen una serie de ranuras longitudinales y transversales, llamadas dibujo del neumático, cuya misión es drenar el agua situada en el suelo y conseguir un contacto al eliminar el agua que actúa como lubricante y que, por tanto, disminuye el coeficiente de rozamiento.
Cuando se produce una lluvia las ruedas han de bombear el agua para evitar la interrupción del contacto hule/suelo y, a mayor velocidad, mayor es el caudal que se debe bombear; si se sobrepasa la capacidad del neumático para drenar el suelo (con lluvia normal circulando a una velocidad de 100km/hr, una rueda debe evacuar de 5 a 6 litros de agua por segundo), se formara una capa de agua debajo del neumático y se perdera el control sobre el vehiculo. A este fenómeno se le denomina “aquaplanning” o hidroplaneo.
1.2.4. Distancia segura para vehículos en movimiento.
V V Tr
b V b
ls 2 2
1 1 2 2 2 2 1 2
1
El primer termino en la ecuación 1.4 es la distancia total requerida para frenar el vehiculo 2, el segundo termino para el vehiculo líder 1. La diferencia de los primeros dos términos es la mínima distancia segura que se requiere para evitar la colisión. El tercer termino es una distancia extra requerida debida al tiempo de reacción del conductor en el vehiculo 2 para aplicar sus frenos.
Superficie de camino Desaceleración de vehiculo 1
b1 m/s2 (g)
Desaceleración de vehiculo 2
b2 m/s2 (g)
Tiempo de reacción Tr
Seco 6.5 (0.66) 6.0 (0.61) 1.0
Mojado 6.5 (0.66) 5.5 (0.56) 1.0
Hielo 2.6 (0.27) 2.0 (0.20) 1.0
Tabla.1.1 Rendimientos típicos de frenado sobre varias superficies de camino.
1.3 Dinámica Vehicular.
El comportamiento dinámico es determinado por las fuerzas impuestas en el vehículo debido a las llantas, la gravedad y la aerodinámica. El vehículo y sus componentes son estudiados para determinar que fuerzas serán producidas por cada una de estas fuentes en condiciones de maniobrabilidad, equilibrio dado y como el vehículo responderá a estas fuerzas. La mayor parte del estudio de la dinámica vehicular involucra el estudio de cómo y por que se producen las fuerzas. Por esta razón, es esencial establecer una rigurosa aproximación al modelar los sistemas y a las convenciones que serán usadas para describir los movimientos. La ley fundamental empleada para el análisis de dinámica vehicular, es la Segunda Ley de Newton. La cual se aplica tanto a sistemas translacionales como rotacionales.
Sistemas Translacionales. La suma de las fuerzas externas que actúan en un cuerpo en una dirección dada, es igual al producto de su masa y la aceleración en esa dirección. (masa constante).
Fx m.ax (1.5) Sistemas Rotacionales. La suma de los torques que actúan en un cuerpo alrededor de un eje dado, es igual al producto de su momento de inercia rotacional y la aceleración rotacional alrededor de ese eje.
TX IXX.X (1.6)Las ecuaciones cinemáticas del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (aceleración constante), junto con la segunda ley de Newton, son de gran utilidad cuando se requiere conocer las fuerzas y aceleraciones del auto en un determinado instante.
vv0at (1.7)
2
2 1 0
0 vt at
x
En la tabla 1.2 se muestran las fuerzas y aceleraciones sobre un auto.
1 a2
2 l
1 a1
2 l
1 a2 1 h
2 l 2 l
1 a1 1 h
2 l 2 l
1 a2 1 h a
2 l 2 l g
1 a1 1 h a
2 l 2 l g
1 a2 h 1 h
2 l l 2 l
1 a1 h 1 h
2 l cos + l sen) + 2 l sen) - ma
Fz2= mg( ma
cos -Aceleracion de
un auto sobre un plano inclinado Fz1= mg( cos cos mf mf
Fz2= mg +
Sobre el nivel del camino
Fuerzas Sobre Vehiculos estacionados
Aceleracion de un auto
Fz1= mg
-sen
sen
Aceleracion de un auto sobre el camino mg Fx2= mg Fx1= mg Fx2= mg Fx1= Sobre un camino inclinado mg + - mg
Tabla 1.2. Fuerzas y aceleraciones sobre un auto.
1.4 Criterios de seguridad en el automóvil.
Hoy en día existen dos tipos de seguridad en los automóviles la pasiva y la activa, antes del impacto tenemos la seguridad activa, la seguridad pasiva se refiere a aquellos componentes, ya sean sistemas, dispositivos o mecanismos, que, se incorporan al vehiculo, para preservar a los ocupantes de posibles daños en caso de accidente. Se definen como elementos pasivos a aquellos cuya acción solo se desarrolla en caso de accidente, las bolsas de aire (“air bag”) ocultas en el volante, las barras antigolpes situadas en el marco de las puertas, o los cinturones de seguridad.
Todos los vehículos de pasajeros vendidos en Estados Unidos requieren cumplir con la norma de seguridad FMVSS 208, la cual es para la protección de los ocupantes en un impacto frontal, esta norma establece los lineamientos para medir el comportamiento de los dispositivos de prueba antropométricos (de ahora en adelante conocidos por su terminología comercial “dummies”) localizados en el asiento delantero, los elementos de seguridad pasiva son evaluados (bolsas de aire) o una combinación de bolsa de aire con el sistema de cinturón de seguridad para retener al ocupante en estas pruebas al dummy.
Las pruebas para evaluar el desempeño de automóviles nuevos por sus siglas en ingles (NCAP) fueron iniciadas por la Administración Nacional de seguridad de trafico en carretaras por sus siglas en ingles NHTSA en la década de los 80´s, el historial de tiempo vs desaceleración y la distancia de compresión máxima son seleccionadas para proteger al ocupante del vehículo, tanto para vehículos ligeros como pesados, la deformación máxima esta restringida por el sistema de protección. En la figura 1.4 se muestra las desaceleraciones de estos vehículos durante un impacto, de vehículos medianos que pesan aproximadamente 1450kg y vehículos pesados aproximadamente 1927.8kg; el diseño de vehículos para pruebas de NCAP promueve la rigidez de la estructura a ser proporcional con la masa del vehiculo, para evaluar esto se someten a pruebas de impactos donde se obtienen curvas de desaceleración.
Aceleraci
ón en Poste (g)
Penetración (in)
Vehiculo Ligero Vehiculo Pesado
Figura 1.4 Desaceleración de vehículos ligeros y pesados en pruebas de la “NCAP”.
1.4.1 Seguridad Activa.
1.4.1.1 Seguridad Activa en el motor.
Son sistemas de control del par motor, en estos sistemas el pedal acelerador es un reóstato o potenciómetros que genera una señal eléctrica proporcional a las ordenes del conductor el microprocesador del sistema, según la señal del reóstato del pedal acelerador y la velocidad de giro de las ruedas, determina la cantidad de combustible que debe inyectarse al motor y, en consecuencia, el par motor que se encuentra, evitando que el vehiculo patine cuando se encuentra en un camino con poca adherencia.
1.4.1.2 Seguridad activa en la transmisión.
El mecanismo diferencial es un distribuidor del par motor a las dos ruedas de un eje, que permite al vehiculo tomar las curvas sin arrastrar estas; cuando el vehiculo se encuentra con una rueda motriz sobre el suelo firme y la otra sobre un suelo inestable, reparte todo el par sobre la rueda situada sobre el suelo inestable y esta empieza a resbalar, mientras que la rueda situada sobre el suelo estable se queda quieta sin el par motor y el vehiculo queda parado.
Para evitar esta situación extrema y las situaciones intermedias, como puede ocurrir al circular por una carretera de montaña con hielo o nieve, se disponen los diferenciales controlados. En estos un microprocesador controla la diferencia de giro de las ruedas motrices, gracias a los captadores del sistema ABS, y manda presión sobre un embrague de laminas, que hace mover los engranes del diferencial con la corona del mismo, anulando así el mecanismo en mayor o menor grado hasta compensar el exceso de par entregado a la rueda con menor adherencia.
1.4.1.3. Control de tracción de los vehículos.
Este mecanismo creado por la compañía Bosch en 1985 asegura el contacto máximo entre los neumáticos de un vehiculo y la superficie de desplazamiento aun cuando el conductor acelere gire o frene imprevistamente brindando una mayor estabilidad, este elemento trabaja de manera conjunta con los neumáticos.
Figura 1.5. Esquema general de un sistema de control de tracción.
1.4.1.4 Seguridad activa en los frenos.
(a) (b) Figura 1.6. Sistema de frenos (a) de disco, (b) cerámicos.
Los frenos antibloqueo de ruedas son otro de los sistemas de seguridad activa. Este dispositivo impide que el conductor bloquee las ruedas cuando efectúa una frenada enérgica, puesto que con estas bloqueadas se pierde el control direccional del vehiculo y se incrementa el espacio de frenado ya que al arrastrar sobre el asfalto las ruedas bloqueadas se funde la goma de la cubierta y el vehiculo resbala sin control sobre una masa viscosa de goma fundida.
Para lograr esto, cada rueda cuenta con un sensor que determina las revoluciones y detecta cuando alguna rueda disminuye la cantidad de giros en comparación con un valor predeterminado. De suceder, el sistema ABS ordena la disminución de la fuerza de frenado que impide el bloqueo.
1.4.1.5 Seguridad activa en la suspensión.
El sistema de suspensión tiene dos misiones en los vehículos automóviles: una de seguridad, cuyo objetivo es mantener constante el contacto de las cuatro ruedas con el suelo o, lo que es lo mismo, evitar que las ruedas sufran aceleraciones verticales mayores que el valor de g (9.81m/s2)
y otra de comodidad, que consiste en frenar y amortiguar las oscilaciones de la carrocería debidas a las irregularidades del terreno, para comodidad del conductor y ocupantes del vehiculo.
En lo que concierne a la comodidad, se debe considerar como valores normales la gama de vibraciones capaz de soportar el cuerpo humano sin sufrir molestias. El umbral de fatiga profesional, que fija la capacidad del cuerpo para soportar vibraciones verticales en una frecuencia de 4 a 8 hertz y en menos de 2 hertz la de vibraciones horizontales. Se acota el umbral de la comodidad un tercio por debajo de los valores del umbral de la fatiga profesional.
Figura 1.7. Zona de confort.
Se muestra en la figura 1.8, los principales componentes de una suspensión trasera con eje rígido y en la figura 1.9 los componentes de una suspensión delantera tipo Mc pherson.
Figura 1.8. Componentes comunes en una suspensión trasera con eje rígido.
Los sistemas de suspensión de dureza variable tienen un microprocesador que controla la presión y llenado de los amortiguadores, adaptando la suspensión y la dureza de la suspensión del vehiculo en función de la carga que lleva y del estado del suelo por donde circula.
1.4.1.6 Seguridad activa en la dirección.
Desde el punto de vista de la seguridad activa, los requerimientos y comportamientos exigidos a los sistemas de dirección de un vehiculo son:
1.- Que garanticen una conducción estable y segura del vehiculo, y para ello se considera que debe cumplir que el tiempo necesario para conseguir un radio de 12m, no sea superior a 4s.
2.- Las vibraciones producidas por las irregularidades del terreno deben ser amortiguadas y no transmitidas al volante. No obstante, no deben eliminarse en su totalidad para que el conductor no pierda la percepción del estado del pavimento.
3.- Los juegos de los mecanismos deben poder transmitir la transmisión de las órdenes del volante de dirección, con giros de este inferiores a 1º
4.- Cuando se libere la acción sobre el volante, este debe poder volver a su posición de conducción en línea recta
Los sistemas de dirección asistida por un servomecanismo suelen disponer de una desmultiplicación variable según sea la velocidad del vehiculo, de manera que durante -las pesadas maniobras de aparcamiento –que se realizan a baja velocidad- la ayuda del servomecanismo es la máxima y, a medida que aumenta la velocidad, la acción del servo se acomoda a las necesidades de la conducción, manteniendo un grado de dureza en el sistema que permita al conductor maniobrar sin esfuerzo pero sin perder el tacto de la conducción.
Estos sistemas disponen de un microprocesador que modula el servomecanismo, variando su resistencia interna en función de las revoluciones de giro de las ruedas y del ángulo en el volante.
El control de la estabilidad es un sistema que trabaja para brindarle firmeza al conductor mientras realiza una maniobra en una curva. El mecanismo incluye varios sensores que supervisan los movimientos del volante y la posición del cuerpo con respecto al camino, estos sensores actúan independiente en cada una de las ruedas del vehiculo y forman parte del sistema antibloqueo de frenado ABS, que responden de acuerdo a las maniobras del conductor.
1.4.2 Seguridad pasiva.
Se denomina seguridad pasiva el conjunto de medidas para proteger al conductor y ocupantes en caso de accidente. Estas medidas afectan principalmente a la carrocería.
La seguridad pasiva afecta desde el diseño de las carrocerías hasta el estudio de los forros destinados a proteger las partes metálicas situadas dentro del habitáculo del automóvil para evitar lesiones en caso de que el ocupante se golpee.
Los automóviles con estructuras rígidas, en caso de colisión, causan desaceleraciones sobre los ocupantes de valores superiores a 300g, impulsándoles violentamente, mientras que los vehículos con carrocerías de estructuras con partes deformables no llegan a superar valores de 50g.
El conjunto de elementos a los que se encomiendan las funciones de seguridad pasiva en un vehiculo son: cinturones de seguridad, asientos; Parabrisas y cristales; resistencia a la volcadura (toldo, puertas, postes, etc); cerraduras y bisagras; deposito de combustible y su tapón; entre otras.
Por otra parte, desde el punto de vista de la seguridad pasiva, los riesgos potenciales más importantes que afectan a los vehículos son: el choque frontal, el choque lateral, el choque trasero, el vuelco, el riesgo de incendio y la colisión con peatones y ciclistas.
El conductor y los pasajeros en el momento de la colisión devuelven la energía desplazándose en el sentido de marcha, acción que les lleva a impactarse de forma violenta contra las zonas del automóvil situadas enfrente suyo.
Cuando esto sucede, el conductor experimenta como su cabeza y su tórax son lanzados contra el volante de dirección y el parabrisas, mientras sus rodillas chocan contra las partes que se encuentran enfrente como los pedales
Dos medidas se han adoptado para proteger el tórax del conductor y evitar que se empotre en la columna de dirección son las columnas de dirección fraccionadas y los cinturones de seguridad.
1.4.2.1 Columna de dirección fraccionada.
Figura 1.11. Sistema de dirección.
Cuando por la violencia de una colisión las ruedas delanteras sufren un empujón hacia atrás que se transmite a todo el sistema de dirección y el volante de dirección es empujado hacia la posición del conductor, justo en el momento que este es desplazado enérgicamente hacia delante; esta situación causo –en el pasado- la muerte a infinidad de conductores, que acabaron con el pecho atravesado por la columna de dirección.
Existen diferentes sistemas de juntas para árboles de dirección siendo las más usuales: las juntas cardan, la malla deformable y los pernos de rotura. La junta cardan es una unión articulada que permite el giro entre ejes que no estén alineados, de manera que el giro del volante se transmite integro a la caja de dirección, y gracias a la diferente inclinación entre las dos mitades de la columna de dirección, cuando esta es sometida a esfuerzos opuestos en sus extremos se pliega por la junta.
El sistema de malla deformable consiste en disponer la columna de dirección en dos tubos telescopios que encajan, con esto se disminuye la longitud de la columna de dirección.
Los pernos de rotura son la unión entre dos piezas soldadas a los dos extremos de cada mitad de la columna de dirección. Un golpe seco rompe los pernos y permite el deslizamiento de una semicolumna respecto a la otra gracias a una leve desviación de una de las dos mitades.
La evolución de este sistema ha llevado a algunos constructores a incorporar volantes articulados al eje de la dirección; esta articulación va fija por un seguro que permite dirigir con firmeza el vehiculo y, en caso de accidente, se rompe su seguro de forma que al quedar libre el volante en su articulación, se acopla a la posición del tórax.
1.4.2.2 Cinturones de seguridad.
Figura 1.12. Cinturones de seguridad.
Los cinturones de seguridad están fabricados mediante una tela con resistencia suficiente para absorber la energía que desplaza a los ocupantes del vehiculo, sin romperse ni sufrir deformaciones permanentes, y tienen el ancho suficiente para que, en su acción de retención, no lleguen a producir lesiones serias en el cuerpo.
El cuerpo del conductor o del pasajero queda sujeto por la cintura mediante la parte del cinturón que va desde el anclaje inferior hasta la hebilla de cierre; y por el tórax mediante el resto del cinturón desde el cierre de la hebilla hasta el anclaje superior dentro de la caja; este tramo cruza sobre el tórax, ofreciendo así una retención eficaz.
La eficacia del cinturón la proporciona un freno de inercia sensible a las sacudidas ocasionadas por las fuerzas de inercia y traba el cinturón cuando el ocupante sale disparado hacia delante, en caso de detención brusca o choque, y le retiene contra el respaldo del asiento impidiendo que se estrelle contra las estructuras del coche que estas situadas frente a el.
El pequeño lapso de tiempo que tarda en actuar el freno de inercia, junto con la flexibilidad de la tela del cinturón, permiten un ligero deslizamiento de la persona y, de esta manera, la energía cinética adquirida se transforma en fuerza de rozamiento entre el cuerpo humano y el cinturón. Si el cinturón fuera rígido, se convertiría en un elemento peligroso que se podría clavar en el cuerpo
1.4.2.3 Bolsas de aire (“Air bag”).
Este dispositivo complementa la acción del cinturón de seguridad y su objetivo es evitar que la cabeza del conductor se estrelle contra el parabrisas o el volante de dirección cuando ocurre una colisión.
Figura 1.14.Bolsas de aire laterales.
El mecanismo de la bolsa de aire es parecido al utilizado en los tensores de los cinturones de seguridad, pero aquí el chorro de gas, producto de la combustión de una pastilla de combustible solidó, es dirigido hacia el interior de un globo de tela fina que se infla en unos pocos milisegundos; este globo, que es la bolsa, en posición normal permanece ubicado en un compartimiento situado dentro del volante, o en la tapa de la guantera, disimulado por otra tapa.
1.4.2.4 Otros elementos de seguridad.
Las sillas utilizadas para acomodar a los pequeños de la familia dentro del vehiculo deben disponer de su propio sistema de seguridad para sujetar al niño de manera cómoda en el asiento. Normalmente, los elementos que sujetan al niño suelen ser cinturones de seguridad que, descendiendo por ambos hombros, forman un peto protector y también a la cintura, como los empleados en los vehículos de competición; este tipo de cinturón mantiene al niño sujeto en su posición sentado impidiendo que salte de la silla, empujado por las fuerzas de inercia.
Figura 1.15. Silla para niño.
Se desarrollan dispositivos alternos, en lo que principalmente para disminuir el daño en cabeza de los peatones se optimizan características de deformación en cofre y defensas. El cofre se levanta, para disminuir el daño sobre la cabeza del peatón.
También se estudian opciones para tener bolsas de aire que se colocan en el cofre para disminuir el daño que sufre el peatón cuando se impacta contra el vehiculo, figura 1.17.
(a) (b) (c) Figura 1.17.Bolsas de aire para evitar daños en los peatones (a) Mazda, (b) Ford y (c) Autoliv.
1.5 Referencias.
1.1Marti,”Sistemas de seguridad y confort en vehículos automóviles” Alfaomega 2001.
1.2 Paul Du Bois, Clifford C. Chou, Bahig B. Fileta, Tawfik B. Khalil, albert I. King, Hikmat F. Mahmood, Harold J. Mertz, Jac Wismans, “Vehicle CrasshWorthiness and occupant protection”, American Iron and steel Institute 2004.
1.3Marti,” Limitaciones del conductor y del vehiculo”, Alfaomega 1992
1.4 Cascajosa,” Ingeniería de vehículos (Sistemas y Cálculos)”, Alfaomega 2005
1.5Jazar,” Vehicle Dynamics: Theory and Applications” Springer 2008.
1.6 NOM-086-SCFI-2004 “Industria hulera-llantas para automóvil-Especificaciones de seguridad y métodos de prueba”.
2.1 Introducción.
La seguridad vehicular se mide al mismo nivel que la calidad, estilo, manejo, comodidad y economía de combustible, las características de seguridad tal como la absorción de energía en las estructuras frontales y laterales, bolsas de aire, asientos con cinturones de seguridad integrados, etc. Los mecanismos en la siguiente generación puede incluir artículos inteligentes que podrán proteger a los ocupantes en base a la edad genero, localización en el vehiculo y severidad del impacto
El logro de la seguridad en el vehiculo implica un proceso iterativo que inicia con la definición del concepto de diseño y termina cuando el vehiculo es reciclado. Depende principalmente de conocimientos multidisciplinarios de factores humanos, lesiones biomecánicas y mecánica estructural. En el pasado, la seguridad significaba un pulso de desaceleración de vehiculo bajo que se lograba por incrementar el espacio del vehiculo y consecuentemente su masa. El frente de los vehículos actuales es diseñado y construido con arquitecturas optimizadas para satisfacer las limitaciones de economía de combustible y requerimientos de reciclaje. La estructura debe ser ligera y suficientemente rígida para satisfacer los requerimientos de impactos frontales, traseros laterales y volcaduras. Adicionalmente, los diseñadores deben proveer restricciones al ocupante para mitigar el daño potencial de un segundo impacto.
El termino “Crashworthiness” usado inicialmente por la industria aeroespacial, mide la habilidad de la estructura y cualquiera de sus componentes para proteger a los ocupantes sobrevivientes de un impacto; en la industria automotriz, mide la habilidad estructural del vehiculo para deformarse plásticamente y mantener un espacio suficiente para los sobrevivientes. Adicionalmente los sistemas de retención pueden proveer una protección adicional para reducir las lesiones y muertes. El objetivo del área de seguridad vehicular es optimizar la estructura del vehiculo para que pueda absorber la energía del impacto por deformación controladas del vehiculo manteniendo un espacio adecuado.
Varias metodologías de diseño son aplicadas a problemas relacionados con el diseño para la seguridad en el automóvil. Generalmente, la seguridad en el automóvil se mide por pruebas.
El objetivo de pruebas de impacto en laboratorio consiste en una simular escenarios de accidentes, también se determinan las cargas mecánicas que el humano resiste durante el accidente. Las pruebas de impacto se pueden agrupar en tres diferentes categorías: pruebas de vehiculo completo, pruebas de simulación de impactos (“Sled”) y pruebas de componentes.
2.2 Pruebas de impacto de vehiculo completo.
Los sistemas de seguridad pasiva en pruebas a escala de vehiculo completa proporciona información acerca de los costos de reparación después de la colisión lo cual proporciona información a las compañías de seguros para los índices de seguros, entre las que tenemos el Instituto de Aseguradoras para la Seguridad Vial de los Estados Unidos por sus siglas en Ingles IIHS. En México la empresa encargada de realizar este tipo de pruebas es CESVI (Centro de Experimentación y Seguridad Vial). Este tipo de pruebas se realiza para conocer el grado de reparabilidad, figura 2.1.
Figura 2.1.Pruebas de impacto realizadas en CESVI México.
Las pruebas de vehiculo completo también son usadas para verificar las características de deformación.
La Figura 2.2 muestra una prueba de impacto frontal en la cual se puede o no realizar la medición de fuerzas o aceleraciones en la cabeza, piernas, etc. La seguridad es evaluada por la medición de dichos valores, la figura 2.3 muestra la prueba de impacto lateral, la velocidad de prueba de 64 km/h representa un auto colisionando con otro cada uno viajando a una velocidad de 56km/h. La diferencia en velocidad es debida a la energía absorbida por el cuerpo deformable.
Fig. 2.2 Prueba de impacto frontal.
Para la modelación de impactos se utiliza el sistema mostrado en la figura 2.4.
Fig. 2.4 Modelo para representar un impacto
En donde las masas corresponden al habitáculo, el motor, etc, y se representan los elementos que sufren colapsos durante el impacto; entre estos están de la pared de fuego, defensas, transmisión, radiador, ventilador. De tal manera que se instrumentan puntos específicos de interés obteniendo historiales de aceleración.
Figura 2.5 Historial de desaceleración.
2.2.1 Artículos de prueba antropométricos.
Es un modelo mecánico del cuerpo humano que se usa para sustituir al humano en pruebas de impacto. Estos sistemas son diseñados tal que los parámetros de carga mecánica pueden ser medidos en niveles de impacto. Para este fin, un “dummy” es hecho de acero o aluminio (esqueleto), polímeros (juntas y piel) y espuma Figura 2.6.
Estos dispositivos de prueba se equipan con varios acelerómetros y celdas de carga para grabar la aceleración, fuerza y deformación figura 2.7.
Fig. 2.7. Acelerómetros y celdas de carga en maniquíes de prueba “dummies”.
2.2.1.1 Antropometría.
El dummy debe representar a un humano en términos de tamaño, masa, distribución de masa, momentos de inercia y postura (sentado), por otro lado responder biomecanicante durante el impacto. El dummy del hombre adulto del 50% (anexo A) es el dummy fundamental de los datos antropométricos que fueron establecidos en 1960s de la población de Estados Unidos (altura 1.751m, peso total 78.2kg), es el “dummy” mas comúnmente usado un pruebas de impacto automotriz. Otros tipos de dummy incluye el 5% mujer (altura 1.510m, peso 49.1kg) y el 95% hombre (altura 1.873m, peso 101.2kg) 3, 6 y 10 años para dummies de niños, figura 2.8.
2.2.1.2 Instrumentación.
En la prueba de impacto el dummy deberá ser sensible y permitir la medición de parámetros que son relacionados a los daños del mecanismo examinado. Deberá colocarse de acuerdo a la posición requerida figura 2.9.
(a) (b)
Figura 2.9. Sistema de coordenadas para un dummy (a)parado, (b)sentado.
2.2.1.3Repetibilidad y durabilidad.
El dummy debe continuar grabando datos para evaluar el comportamiento del impacto aun si los límites críticos son excedidos durante la prueba. En la tabla 2.1 se muestran algunos dummies y sus aplicaciones
Aplicación Articulo de prueba antropometricos
Impacto frontal Familia de Hibrido III, THOR
Impacto lateral EuroSID2, SID, SID-HIII, SID IIs, BioSID, WorldSID
Impacto trasera BioRID,RID2
Peatones Polar
Niños P0, P3/4, P3, P6, P10, Q-dummies, CRABI
Cinturones TNO-10
Impactor de movimiento libre de cabeza, impactor de cabeza para impactos de peatones
Impactor
Tabla 2.1, Dummies disponibles y sus campos de aplicación.
2.3 Pruebas de simulación de impactos (Sled).
Una característica básica de la respuesta estructural de un vehiculo en pruebas de impacto y la simulación del modelo, comúnmente es conocido como pulso de impacto. Este es un historial de tiempo de desaceleración en un punto en el vehiculo durante el impacto. El pulso del vehiculo es un punto de referencia para identificar el comportamiento estructural y el movimiento en mediciones del vehiculo en un impacto frontal. Otras ubicaciones como el radiador y el motor son comúnmente elegidas para grabar el pulso de impacto para el análisis dinámico de componentes. La naturaleza de la respuesta de impacto depende de la masa, rigidez estructural y el amortiguamiento de esa ubicación así como la interacción externa de componentes cercanos.
Figura 2.10. Prueba de simulación de impactos “Sled”
Consecuentemente, el “sled” incluye partes en el ensamble que pueden ser rehusadas lo cual significa una reducción del costo.Las desventajas de este tipo de sistema son entre otras, la restricción de la carga del vehiculo puede ser solo unidireccional en la dirección x, figura 2.11, y que el pulso de aceleración del vehiculo debe ser establecido anteriormente en una prueba de vehiculo completo o en un prototipo por ejemplo en simulación de computadora.
En ocasiones las pruebas del Sled se usan para correlacionar los resultados obtenidos en las simulaciones por computadores y en otras ocasiones la simulación es empleada para evaluar diseños, reducir costos así como los tiempos de liberación de los productos y es frecuentemente utilizada cuando se requieren varios experimentos. La simulación para prueba de impacto generalmente utiliza análisis de elementos finitos no lineal figura 2.12.
(a) (b)
Fig.2.12 Modelo de elemento finito de un automóvil para un análisis no lineal, (a) 0ms, (b)100ms
Las aplicaciones del análisis por elementos finitos en el diseño automotriz presenta diversas aplicaciones por ejemplo se usan para diseñar la estructura del vehiculo en términos de rigidez y resistencia, ruido y vibración, impacto, optimización, biomecánica, etc., figura 2.13.
Fig.2.13 Aplicaciones del análisis de elemento finito en diseño automotriz.
Se deben generar modelos de vehiculo completo para ayudar durante todas las fases de desarrollo.
Fig.2.14 Familia de THUMS.
Los cuales se han validado con la respuesta mostrada de cadáveres; sin embargo los órganos internos figura 2.15 y cerebro figura 2.16 se han simplificado con cuerpos continuos y propiedades de materiales homogéneos. Por lo tanto, el modelo no permite investigar movimientos y daños de los órganos internos y el cerebro durante situaciones de impacto.
Fig.2.15 Modelo de ocupante con órganos internos individuales.
Fig.2.16 Modelo de cabeza y cerebro.
2.4 Prueba de componentes:
Regulacion Descripcion General Velocidad Condiciones de prueba
R94 Proteccion de los ocupantes en impacto frontal 56 km/hr Coincidir 40% con la barrera deformable
R12 Proteccion del conductor con el mecanismo de
direccion en impacto frontal 48 a 53km/hr Pared Rigida R33 Comportamiento de la estructura del
compartimiento en una colision de cabeza en impacto frontal
48 a 53km/hr Pared Rigida
R95 Proteccion de los ocupantes en impacto lateral 50km/hr Mover barrera deformable en un angulo de 90o
R32 Comportamiento de la estructura en un impaco trasero, para verificar la integridad del tanque de combustible
35km/hr Mover barrera rigida (masa 1100kg)
R42 Articulo de proteccion frontales y traseros
(defensas) 2.4, 4km/hr Pendulo
R44 Sistemas de restriccion de niños 50km/hr Pruebas de sled R16 Cinturones de seguridad, sistemas de restriccion
para niños - Estaticas
R17 Asientos, anclajes y restriccionen cabeza - Pruebas de sled
R14 Anclaje de cinturones de seguridad - Estaticas
Regulaciones europeas referentes a pruebas de impacto (www.crash-network.com)
Tabla 2.2. Regulaciones europeas en pruebas de impactos.
IMPACTO FRONTAL
El auto se mueve a 64 km./hr, hacia una barrera deformable,
sobreposición 40%
IMPACTO LATERAL
Un carrito con barrera deformable es movido a la puerta a 50 km./hr IMPACTO DE POSTE
El auto se mueve de lado a 29 km/hr contra un
poste rígido.
IMPACTO DE PEATONES
40 km./hr
2.5 Referencias.
2.1 Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Markus H. Muser, Felix Walz, “Trauma Biomechanics (Accidental injury in traffic and sports)“,Springer 2004
2.2 Masami Iwamoto, Kiyoshi Omori, Hideyuki Kimpara, Yuko Nakahira, Atsutaka Tamura, Isao Watanabe, Kazuo Miki,Junji Hasegawa, Fuminori Oshita.,“Recent advances in THUMS: development of individual internal organs, brain, small female, and pedestrian model.”4th European LS-Dyna User Conference
2.3Cing-Dao Kan, DhaferMarzougui, Nabih E. Bedewi,“-Development of a 50th Percentile Hybrid III Dummy Model”,4th European LS-Dyna User Conference.
2.4 Erich Schelke, Herbert Klamser, Dr. Ing. H.c. F- Porsche AG, “CAE Simulations for Passive Safety Focused on the Porsche Cayenne. The Transition to New Technologies”, 4th European LS-Dyna User Conference (Plenary Session)
2.5 Masami Iwamoto, Yuko Nakahira, Atsutaka Tamura, Hideyuki Kimpara, Isao Watanabe, Kazuo Miki, “Developmeent of Advanced Human Model in Thums”, 6th European LS-Dyna User Conference
2.6SAE J211-1 Surface Vehicle Recommended Practice (2003) 2.7SAE J1100 Surface Vehicle Recommended Practice (2005) 2.8www.crash-network.com
2.9 Matthew Huang, “Vehicle Crash mechanics”, CRC Press SAE 2002.
