INDICE DE TABLAS
Tabla 1.1 Cuadro 5 del Tráfico doméstico de pasajeros
por modo de transporte 12
Tabla 1.2 Cuadro 17 del Consumo de energía por tipo
de combustible 13
Tabla 1.3 Infraestructura y equipamiento urbano de
la carpeta asfáltica. 14
Tabla 1.4 vehículos de motor registrados en circulación. 15 Tabla 1.5 Cuadro 18, de Precios promedio de combustible
a usuarios finales. 18
Gráfica 1.1 Modelo del problema 22
Tabla 3.1 Diferentes tipos de aisladores 83
Tabla 4.1. Valores de los pesos empleados en el análisis 109
Tabla 4.2. Propiedades de los materiales empleados. 110
Gráfica 4.1 Curva de fatiga del material SAE-1006 122
Tabla 4.3. Características de la suspensión 123
Tabla 5.1. Resultados sobre los esfuerzos máximos 133
Tabla 5.2. Resultados sobre las deformaciones máximas 134
Tabla 5.3. Modos de vibración 135
Tabla 5.3.1 Resultados del análisis de fatiga 156
Gráfica 5.1 Representación del criterio de Woodman modificado
Para el esfuerzo de cedencia de un material SAE-1006 157
Tabla 5.4. Resultados del análisis de suspensión 162
INDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO 1.
Figura. 1.1. Coche de los años 1900’s 3
Figura. 1.2. Distribución de la carga sobre los carros. 4 Figura 1.3. Primeros transportes de pasajeros con motor. 5
Figura 1.4. Autobús de los años 40’s. 6
Figura 1.5. Autobús de los años 50’s. 6
Figura 1.6. Autobús de los años 60’s. 7
Figura 1.7. Autobús con sistema de aire acondicionado,
baño, entretenimiento, etc. 8
Figura 1.8. Diseño del año 2000. 9
Figura 1.9. Autobús escolar EZL90 10
Figura 1.10 Engomados obligatorios, obstrucción de la visibilidad. 11
Figura 1.11 Situación típica en el Distrito Federal 16
.Figura 1.12. Vista frontal de autobús escolar del Distrito Federal. 19
Figura 1.13. Falta al reglamento. 20
Figura 1.14 Unidades usadas para transporte escolar,
a) vista frontal, b) vista lateral 20
Figura 1.15 Unidad renovada a) y unidad nueva
b) para transporte escolar. 21
Figura 1.16 Unidad con buen sistema de señalamiento 23
Figura 1.17 Autobús con señalador lateral 24
Figura 1.18 Autobús de dos pisos. 24
Figura 1.19 Puertas especiales 25
Figura 1.20 a) Salida trasera de emergencia,
b) Señalamiento en la parte trasera 25
Figura 1.21 Subsistemas que integran la unidad
a) Estructura y chasis y b) Suspensión 28
CAPÍTULO 2.
Figura 2.1. Porción analizada de la aeronave. 33
Figura 2.2. Análisis por Elemento Finito de la región
del ala de un avión 747. 33
Figura 2.3. El Columbia y su correspondiente modelo 34 Figura 2.4. Análisis por Elemento Finito de una estructura
de barco de elementos finitos. 35
Figura 2.5. El proceso de análisis 41
Figura 2.6. Elementos considerados en el análisis 43
Figura 2.7. Los elementos Beam representan
por ejemplo tubular a) cuadrado o b).ángulos 45
Figura 2.8 Elemento Beam 45
Figura 2.9. Forma de los elementos Shell comúnmente empleados. 46 Figura 2.10. Sistema de coordenadas del elemento Mass. 47
Figura 2.11. Grados de libertad de los nodos 48
Figura 2.12. Soportes de las perchas 49
Figura 2.13 Restricción para las condiciones frontera 49
Figura 2.14. Barra en caso estático 54
Figura 2.15. Sistema masa resorte 58
Figura 2.16. Diagrama de cuerpo libre del sistema 59
Figura 2.17. Representación esquemática de una prueba estándar
de fatiga. 63
Figura 2.18. Variación del esfuerzo de fatiga por ciclo. 64
CAPÍTULO 3.
Figura 3.1. Vehículo sujeto a diferentes componentes de movimiento. 67 Figura 3.2 a) Elementos del sistema de suspensión. b) Ensamble 68
Figura 3.3 Elementos básicos de la suspensión 69
Figura 3.4. Ensamble del sistema de suspensión 70
Figura 3.5. Resorte de ayuda en caso de sobre carga. 70
Figura 3.6. Configuración del resorte tipo muelle 71
Figura 3.7. Tipos de ojales 71
Figura 3.8. a) Suspensión delantera 72
Figura 3.8. b). Suspensión trasera 73
Figura 3.9 Efectos de la transmisión en la suspensión. 75 Figura 3.10. Ciclo de histéresis en materiales elásticos. 76 Figura 3.11. Partes de un amortiguador a) cilindro doble,
b) mono-tubo. 77
Figura 3.12. Disipación de la energía 77
Figura 3.13. Fricción viscosa 78
Figura 3.14. Tiempo de decaimiento corto 79
Figura 3.15. Transmisibilidad absoluta 80
Figura 3.16. Transmisibilidad relativa 81
Figura 3.17. Movimiento de respuesta 81
Figura 3.18. El comportamiento de un resorte obedece
a ley de Hooke si: Fext = k x. 84
Figura 3.19. Una oscilación completa o ciclo completo 85
Figura 3.20. Reacción del resorte 86
Figura 3.21. Movimiento subsecuente de la masa 88
Figura 3.22. Desplazamiento de la masa en x. 89
Figura 3.23 Condiciones frontera a) En φ=0. b) En φ =-4
π 90
Figura 3.24. Sistema masa resorte 91
Figura 3.25. Diagrama de cuerpo libre de la masa 92
Figura 3.26. Representación del sistema 86
Figura 3.27 respuesta al movimiento armónico,
a) Excitación en la base, b) Elementos actuantes. 95
FIGURA 3.28. Elementos que conforman el sistema. 98
FIGURA 3.29 Fuerzas actuantes.
a) Se considera el peso total de la unidad,
soportada por la suspensión. b) Se sustituyen los
elementos por las fuerzas actuantes. 100
FIGURA 3.30. Sistema equivalente 100
3.31 Perturbación en el camino 101
Figura 3.32. Irregularidad del camino 103
Figura 3.33 Movimiento armónico en la base, a) Irregularidad del camino, b) Equivalencia de una
excitación en la base del sistema. 104
Figura 3.34. Sistema masa-resorte-amortiguador
para análisis de suspensiones. 106
CAPÍTULO 4.
Figura 4.1. Modelo resultante de elementos finitos 111 Figura 4.2. Condiciones de carga y frontera del autobús
escolar cuando es sometido a condiciones de carga estática. 112 Figura 4.3. Condiciones de carga y frontera del autobús
escolar cuando es sometido a condiciones de arranque. 116 Figura 4.4. Condiciones de carga y frontera del autobús
escolar cuando es sometido a condiciones de frenado. 117
Figura 4.5. Componentes del desplazamiento. a) Posición
de la partícula, b) Vectores en el mismo origen 118
Figura 4.6. Angulo entre los vectores e’t y et . 119
Figura 4.7. Condiciones de carga y frontera del autobús escolar
cuando es sometido a condiciones de viraje. 121
figura 4.8. Barra de herramientas principal. 125
Figura 4.9. Articulación de par prismático sin rozamiento. 126 Figura 4.10. Ventana para introducir los valores constantes
del resorte y el amortiguador. 127
Figura 4.11. Localización del punto de movimiento o “ Point Motion”. 127 Figura 4.12. Ventana para introducir la función
de movimiento de la base. 128
Figura 4.13. Ventana para introducir el valor de la masa120
Figura 4.14. Acercamiento de la unión rotacional 129
CAPÍTULO 5.
Figura 5.1. Acercamiento de las magnitudes y localización
de los valores de máximos esfuerzos principales (28.9 Mpa). 136 Figura 5.2. Vista en isométrico de las magnitudes y dirección
de los vectores de desplazamiento resultantes del análisis estático
de la estructura. 137
5.2.1. Modo de vibración 3, desplazamientos en la zona
del tanque de combustible. 138
Figura 5.2.2. Vista superior, deformación en el techo
de la unidad en el modo de vibración 5. 139
Figura 5.3. Vista lateral, partiendo del reposo hasta alcanzar
una velocidad de 60 km/hr en una distancia de 30 m. 141 Figura 5.4. Acercamiento, vista lateral, partiendo
del reposo hasta alcanzar una velocidad de 60 km/hr
en una distancia de 30 m. 142
Figura 5.5. Vista lateral derecha, desplazamientos vectoriales, partiendo del reposo hasta alcanzar una velocidad de 60 km/hr
en una distancia de 30 m. 143
Figura 5.6 Vista lateral izquierda, condiciones de frenado cuando se desplaza a una velocidad de 60 km/hr y se detiene
en una distancia de 20 m. 145
Figura 5.7. Acercamiento, vista lateral, condiciones de frenado cuando se desplaza a una velocidad de 60 km/hr y se detiene
en una distancia de 20 m. 146
Figura 5.8. Vista lateral izquierda, desplazamientos vectoriales, condiciones de frenado cuando se desplaza a una velocidad
de 60 km/hr y se detiene en una distancia de 20 m. 147
Figura 5.9. Vista frontal, condiciones de viraje a la derecha
a una velocidad de 40 km/hr, con un radio de giro de 12 m. 149 Figura 5.10 Vista lateral, condiciones de viraje a la derecha
a una velocidad de 40 km/hr, con un radio de giro de 12 m. 150 Figura 5.11. Vista frontal, desplazamientos vectoriales, condiciones
de viraje a la derecha a una velocidad de 40 km/hr, con un
radio de giro de 12 m. 151
Figura 5.12. Vista frontal, condiciones de viraje a la izquierda
a una velocidad de 40 km/hr con un radio de giro de 12 m. 153 Figura 5.13 Acercamiento, vista lateral, condiciones de viraje
a la izquierda a una velocidad de 40 km/hr con un radio de giro de 12 m. 154 Figura 5.14. Vista lateral, desplazamientos vectoriales,
condiciones de viraje a la izquierda a una velocidad de 40 km/hr con
un radio de giro de 12 m. 155
Figura 5.14.1 Representación de la fluctuación de esfuerzos promedio 157 Figura 5.15. Gráfica obtenida para una transmisibilidad de ς =0.25 159 Figura 5.16. Gráfica obtenida para una transmisibilidad de ς =0.3 159
Figura 5.17. Gráfica obtenida para una transmisibilidad de ς =0.5 160 Figura 5.18. Gráfica obtenida para una transmisibilidad de ς =0.75 161 Figura 5.19. Gráfica obtenida para una transmisibilidad de ς =0.8 161
RESUMEN
En este trabajo se realizó el análisis estructural de un autobús escolar y un análisis sobre la suspensión de la unidad. El análisis estructural se realizó empleando el Método del Elemento Finito para conocer los campos de esfuerzos en la estructura. En este análisis se sometió la unidad a condiciones estáticas, de arranque, frenado, viraje a la derecha y viraje hacia la izquierda. De igual forma se obtuvieron los modos de vibración de la estructura. Al final de estos análisis se encontró que el claro en la pared derecha que sirve de marco a la puerta, disminuye la rigidez de la pared, generando en el caso de los virajes, deformaciones máximas en el techo de la estructura. En conclusión la estructura es segura para las condiciones propuestas, mostrando en algunos casos factores de seguridad mayores a 3. Con respecto al análisis de suspensión se realizaron con ayuda de un programa de computación para análisis dinámicos y los resultados se comprobaron analíticamente, encontrándose concordancia en los resultados. En estos análisis se probó con diferentes factores de transmisibilidad para encontrar el desplazamiento de la unidad al ser sometida a un camino irregular.
ABSTRACT
In this work, an estructural and a suspension analysis, of a Shoolbus was made. The structural analysis was made using the Finite Element Method, in order to know the stress field of the structure. In this analysis the structure was subjected to positive and negative acceleration, right and left turns and also the modes of shape. It was found that the right door clearance, reduces the stifness of the structure, producing in the case of the turning analysis, maximum deformations on the ceiling frame. In resume the structure is safe in some cases over 3 S.F. Suspension analysis was made using dynamic analysis software and the results were checked with the analytic form. On this analysis, diferent transmisibility factors were probed in order to find the average movement of the vehicle when crossing an irregular road.
OBJETIVO
Mejorar la calidad en el diseño de vehículos de transporte de pasajeros es el objetivo de esta tesis e involucra una gran variedad de tareas. En el presente trabajo se aplica el Método del Elemento Finito al Análisis de Esfuerzos de un Autobús Escolar. Se considera que el autobús será utilizado para el transporte de pasajeros en el Distrito Federal. Los diferentes materiales empleados en el caso de estudio, se consideran como isotrópicos, continuos, homogéneos y que trabajarán dentro de un rango lineal elástico.
JUSTIFICACIÓN
Las ingeniería en la actualidad exige niveles de calidad y seguridad muy altos. Para ello, las compañías hacen uso de las más avanzadas tecnologías con el objeto de lograr los mejores niveles de competencia, productividad y precio. Esto aplica para cualquier producto o servicio y en el Distrito Federal, el transporte público es uno de ellos.
Siendo un servicio que moviliza a millones de personas diariamente, es de vital importancia el correcto funcionamiento tanto de los vehículos como de las calles por donde se transita.
Las opciones para el transporte en ciudades y en países alrededor del mundo han aumentando al igual que la tecnología y esto ha permitido que el diseño y construcción de vehículos de pasajeros hayan llegado a niveles de calidad muy altos. Tal es el ejemplo del Sistema Metropolitano de Transporte, los Trolebuses y los camiones de pasajeros, cabe mencionar que en México existen unidades de más de 40 años de antigüedad y que siguen aún brindando servicio. Cuando un país invierte en infraestructura de transporte es de considerar que las organizaciones involucradas esperan una recuperación razonable y en corto tiempo de sus inversiones, pero también esperan una durabilidad y correcto funcionamiento tanto de las instalaciones como de las unidades adquiridas.
Los cambios constantes, el incremento en los riesgos, la globalización y las estructuras multidisciplinarias están redefiniendo los negocios y las estructuras de mercado actual. Actualmente las compañías y empresarios han tomado la alternativa de unirse con el objeto de sobrevivir exitosamente, impulsando el desarrollo tecnológico de otras compañías que requieren de tecnología avanzada para mantenerse en el mercado.
La tecnología está aumentando nuestras opciones para el transporte, es una gran inversión pero en muchas ciudades y países en vías de desarrollo alrededor del mundo, esta infraestructura continúa deteriorándose, es por eso que antes de realizar una inversión de esta naturaleza, los gobiernos deben de asegurar el buen desarrollo y durabilidad de su infraestructura. Un análisis por medio del Método del Elemento Finito, puede ayudar entre otras cosas a
predecir el comportamiento de las estructuras mecánicas. Los puentes, sistemas del metro, estructuras de cañería subterráneas, carreteras, todos ellos son afectados y susceptibles de analizarse por este método para así conocer su estado actual y predecir su comportamiento ante situaciones como la fatiga o ante elementos externos como el caso de un sismo. Todo ello involucra un aspecto básico; la seguridad. Es por ello que se ha optado por realizar un análisis de esta naturaleza en este caso a una unidad que bien puede ser empleada para el transporte de pasajeros en una ciudad como el Distrito Federal.
Por otro lado el empleo de la computadora como herramienta de análisis permite cubrir la premura con que se deben entregar los resultados. Es claro que existen análisis de tipo analítico y numérico pero su magnitud implica tener resultados en un corto periodo de tiempo y con el menor número de errores.
Un análisis de esta naturaleza nos ayudará a predecir el comportamiento de la estructura, conoceremos los puntos donde se tienen concentraciones de esfuerzos, su nivel de seguridad, su comportamiento ante condiciones de uso continuo como frenado arranque o viraje. Todos estos resultados conllevan a un mejor diseño pues permiten hacer modificaciones posteriores, mejorar su nivel de seguridad y ahorro de material innecesario.
INTRODUCCIÓN
En la historia de esta ciudad, los medios de transporte han evolucionado como en la mayoría de los países latinoamericanos. Sin embargo, debido a sus características esto ha sido problemático. La gran explosión demográfica, el crecimiento excesivo y no planeado de la ciudad, la mala calidad y falta de mantenimiento en los caminos, aunado a la falta de educación vial, hacen que el reto de organizar a la gran urbe en esta área, sea complicado. Por motivos políticos y con el objeto de mejorar esta situación, el gobierno ha comenzado a exigir a las organizaciones y empresas que, los servicios y productos que ofrecen sean de mejor calidad. Esto conlleva a que se soliciten las tecnologías más avanzadas y en el diseño de vehículos de transporte, esto no se queda atrás. Aquí se generan dos situaciones, la primera es que se toma conciencia de que no existe desarrollo tecnológico en ésta área, y lo segundo, se marca el inicio de las investigaciones formales en esta rama de la ingeniería.
Cuando el gobierno solicita, un producto que será empleado por la población, debe estar seguro de que éste rendirá lo suficiente, pues los presupuestos que se tienen son limitados. Con respecto al transporte de pasajeros y sobre todo al transporte escolar se solicitan análisis de elemento finito de las unidades, esto contribuye a mejorar la calidad del vehículo y permite conocer los niveles de seguridad y durabilidad, lo que es el objetivo de este trabajo.
Para la realización de esta Investigación se dividió la tesis en cinco capítulos, en el primero, se amplían los datos sobre la problemática y se genera una visión más amplia de esta ya que el problema no solo se basa en el diseño sino en el entorno social, económico y cultural del país. Además se realiza una comparación con la situación de los países desarrollados en este tema. En el segundo capítulo se dan las generalidades sobre el análisis, empleando el Método del Elemento Finito, sus ecuaciones y los diferentes elementos que lo forman. Se tiene experiencia por medio de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación del IPN sobre problemas de MEF y para ampliar las áreas de investigación y entender mejor el comportamiento de la estructura se trabaja en el capítulo tres sobre el sistema de suspensión ya que su impacto sobre la integridad del vehículo es primordial y esto dará paso a futuras investigaciones sobre el caso, sobre todo con el uso de los nuevos programas de análisis dinámicos. En el capítulo cuatro se engloba el caso de estudio y se detallan los diferentes análisis realizados, tanto de la estructura para conocer los campos de esfuerzo como de la suspensión, pues se dan a conocer las características de esta. En el capítulo cinco se muestran los resultados obtenidos, tanto figuras como gráficas, que dan a conocer las características analizadas del vehículo.
Es de mencionar, que este trabajo se encuentra en la línea de investigación de análisis de esfuerzos, aplicable a estructuras móviles y las investigaciones sobre esto se ampliarán en los análisis dinámicos.
Agradezco a las diferentes organizaciones que con su financiamiento hicieron posible la realización de esta investigación, entre otras, al CONACYT y a la
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación del instituto Politécnico Nacional y en especial a los profesores:
Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón Dr. Luis Héctor Hernández Gómez Dr. Orlando Susarrey Huerta M. en C. Gabriel Villa y Rabaza M. en C. Ricardo López Martínez
Quienes debido a su disciplina, conocimiento y experiencia, condujeron a buen término el desarrollo de este proyecto de investigación.
CAPÍTULO 1
ANTECEDENTES GENERALES
En este capítulo se muestra la evolución de los
vehículos de transporte de pasajeros y como ha
influido el uso de la computadora en el mejoramiento
de los diseños. Partiendo de lo general a lo particular
se muestra la problemática del transporte en el
distrito federal y se hace un enfoque al transporte
escolar y su situación en comparación con otros
países.
1.1. INICIO DEL TRANSPORTE PÚBLICO
El 18 de marzo de 1662, después de una ceremonia de inauguración, se tiene el primer sistema de transporte público en Francia. Gracias al inventor francés Blaise Pascal, se pudo autorizar la construcción de siete carruajes con capacidad para transportar hasta ocho pasajeros, la idea fue desarrollada para facilitar los traslados públicos dentro de París. Este primer sistema no tubo éxito y no fue sino hasta 1819 que el banquero Jackes Lafitte, pone en operación, también en París, un sistema de transporte de autobuses, cuya construcción fue asesorada por George Shillibeer, un constructor de coches y ex militar. Shillibeer estableció el primer servicio de ómnibus en Londres, pero no fue el único. John Greenwood así como muchos otros también establecieron rutas para brindar el servicio de transporte entre ciudades.
El transporte de pasajeros para cortas distancias no era nuevo pero lo que lo hacia diferente es que el nuevo servicio permitía recoger y dejar pasajeros a lo largo de la ruta lo cual eliminaba la necesidad de registrarse por adelantado como era la costumbre, cuando solo existían rutas directas.[Britishbus,2002]
Los primeros vehículos de Shillibeer eran estructuras como caja, tiradas por tres caballos, contaba con una entrada trasera y el conductor se encontraba de pie. Los pasajeros iban sentados en bancos a lo largo del coche. A este tipo de vehículos se le hicieron modificaciones para acomodar a los pasajeros de la forma más conveniente.
1.2. EL CASO DE MÉXICO
La Dirección de Caminos y Puentes nace el 11 de enero de 1917 en el gobierno de Venustiano Carranza y se crea como un organismo especializado dentro de la Secretaria de Comunicaciones y Obras Públicas, la cual permitió generar los caminos a las capitales de los estados de Morelos, Puebla, Hidalgo y la Ciudad de México. Esto generó en el país, la compra de equipo y maquinaria para la construcción de carreteras. Años más adelante, en el primer Congreso de Caminos de la Ciudad de México, surge el proyecto de legislación para promover la construcción y conservación de los caminos.
La gran generación de caminos y carreteras tiene un inicio más marcado en el gobierno de Plutarco Elías Calles, pues en 1925 crea la Comisión Nacional de Caminos. Con recursos insuficientes y poca experiencia, los técnicos de la recién creada Comisión, comenzaron las labores encomendadas por el presidente. Pero debido a las grandes dificultades técnicas que se presentaron, se contrató a una empresa extranjera que tras construir los primeros caminos se eliminaron sus contratos y se encomendó el trabajo a técnicos Nacionales.
1.3. LOS PRIMEROS AÑOS
1.3.1. CARRUAJES TIRADOS POR CABALLOS
En la figura 1.1. se muestra el ejemplo clásico de los coches de los años 1900´s, se observa una construcción rectangular en madera, con postes laterales más anchos en las esquinas para brindar mayor rigidez a la estructura, paredes laterales que trabajan como atiezadores. Los tres postes que sujetan las ventanas brindan rigidez al marco lateral el cual se ensancha para dar un mayor espacio a las bancas de los pasajeros. En este caso solo se tienen dos bancas alargadas, una de cada lado, pues los pasajeros se encontraban sentados lateralmente y a lo largo de la banca. A demás solo se cuenta con escaleras para el conductor el cual se sitúa en la parte más alta de donde se controla a los caballos y el freno. Se puede observar que el conductor carece de una cabina protectora así que está expuesto a las condiciones climáticas y en caso de accidente corre un alto riesgo.
Figura. 1.1. Coche de los años 1900’s
Como puede observarse, el concepto de amortiguación aún no estaba muy aplicado, esto provocaba en consecuencia, un rápido desgaste en los componentes de la estructura y son de esperarse las fallas por fatiga. La parte superior cuenta con soportes para situar el equipaje y carga adicional, el peso de esta carga se distribuye sobre los postes tanto de las esquinas como de los centrales que sirven como marco de la puerta.
En la figura 1.2. se observa de igual forma dos bancas alargadas para los pasajeros y el espacio disponible en el techo para carga adicional. Se puede ver un concepto general de diseño funcional para esa época y detalles que aún se emplean en los diseños actuales como el de ensanchar la estructura para darle más espacio a los pasajeros. Hoy en día las dimensiones exteriores están limitadas por norma así que se debe emplear eficientemente el espacio. De
igual forma se puede ver que se le da importancia a la posición del conductor para así obtener una mejor visión. En cuanto a la tendencia de llevar el equipaje en la parte superior, actualmente se cuenta con cajas acondicionadas en la parte inferior de las estructuras.
Figura. 1.2. Distribución de la carga sobre los carros.
1.3.2. CARROS DE MOTOR
A principios del siglo XX el desarrollo de los vehículos de transporte se ajustaba a las necesidades y capacidad tecnológica de la época, así que se tenían transportes con motores de 4 cilindros que no circulaban a más de 40 km/hr en la ciudad y 60 km/hr en carretera, se contaba con poca capacidad de carga y un promedio de diez pasajeros.
Como se puede observar en la figura 1.3., para esta época aún no eran muy desarrollados aspectos como la seguridad, pues estos vehículos se encontraban abiertos de ambos lados sin ventanas protectoras, como se ve, se mantiene el concepto de postes laterales formando un marco estructural más rígido, se emplea la madera pero no como elementos estructurales de cargas importantes, los pasajeros se mantienen sentados en bancas laterales, las paredes en este caso no son curvas sino rectas y el conductor se mantiene dentro de la cabina brindándole una mayor protección contra los elementos y el clima. Aquí ya se observa un avance en el concepto de la amortiguación, la cuál otorga una mayor vida útil a la estructura además del uso de neumáticos de hule que aumenta la amortiguación.
Figura 1.3. Primeros transportes de pasajeros con motor.
Entre los años 20 y 40, al final de la primera guerra mundial, diferentes compañías fueron contratadas para la construcción de vehículos de guerra, lo cuál dio un gran impulso en la evolución de componentes como el chasis, motores, suspensión, etc.
Es de considerar que esos vehículos eran diseñados para ser empleados en campos de batalla, así que los diseños eran concebidos para condiciones extremas y debían soportar todo tipo de pruebas.
En el caso de nuestro país, figura 1.4., se utilizaron los primeros autobuses para 20 pasajeros, lo cuál fomentó el desarrollo del servicio regular del transporte, por ejemplo entre la ciudad de México y diversos puntos como; Pachuca, Texcoco, Toluca etc. Esto se debió a que ya se contaba con una red de más de 8,500 kilómetros.[Alianza-camioneros,2002]
En plena segunda guerra mundial, en los años cuarenta, la situación se agrava en México pues escasean las refacciones, los chasis se hacen trabajar al máximo y se reparan casi de manera artesanal.
Aunque en la época de 1950, la construcción de vehículos de transporte se enfocaba a camiones para trabajos pesados más que para transporte de pasajeros, las técnicas de manufactura eran similares para ambos figura 1.5. Se basaban en el ensamble a mano de componentes construidos por otras compañías como el caso de los ejes, las cajas de velocidad, el motor, etc. Debido a las necesidades, algunos chasis eran construidos con especificaciones individuales.
Figura 1.4. Autobús de los años 40’s.
En esta época y debido a la experiencia de la guerra, se comienza a tener una clasificación en los tipos de chasis, así es que algunas compañías crean sus propios códigos para identificarlos, cada uno está formado por un grupo de letras y números, que indican el uso del chasis, es decir si era de carga o pasajeros y aspectos tales como la capacidad de carga, el peso, el número de ruedas e inclusive el tipo de motor que debía estar montado en el chasis. [Britishbus,2002].
Figura 1.5. Autobús de los años 50’s.
Entre 1960 y 1968, los diseños ya mostraban atención en diferentes factores, figura 1.6. Los sistemas de iluminación, el volumen de visión del conductor, los espacios para la carga adicional en la parte inferior del camión, de manera general, las estructuras ya tenían un desarrollo provocado por las experiencias de los diseños anteriores.
Figura 1.6. Autobús de los años 60’s.
1.4. LA ACTUALIDAD
El exceso de demanda en el transporte, combinada con una oferta inadecuada, crea una gran cantidad de problemas por resolver, entre ellos se encuentran las condiciones de seguridad, no solo para el conductor, sino para el pasajero. Aunado a esto se tienen en el país caminos en mal estado, condición que incrementa el riesgo de fallas por fatiga. Todos estos factores, han llevado a que el diseño de los vehículos de transporte evolucione, así que se ha llegado a tener unidades que cuentan con servicios como aire acondicionado, baño, sistemas de entretenimiento, comunicación por radio y hasta monitoreo por satélite figura 1.7.[omnibusdemexco,2002]
Figura 1.7. Autobús con sistema de aire acondicionado, baño, entretenimiento, etc.
Los diseños de la actualidad cuentan con sistemas de amortiguación más avanzados que brindan mayor estabilidad a la unidad, mejoran la vida útil y el rendimiento del vehículo, además de dar mayor seguridad y comodidad al pasajero, figura 1.8. El autobús general tiene una mejor aerodinámica, un diseño más estético y la estructura permite tener una mejor visibilidad tanto a los pasajeros como al conductor, además la unidad cuenta con censores y modernos equipos de monitoreo que facilitan su mantenimiento.
Una gran cantidad de los accidentes en vehículos son producidos por las condiciones de deterioro de las unidades y la falta de capacitación de los conductores. En lo que respecta al transporte urbano, no existe en el país un desarrollo tecnológico considerable con respecto a otros países más avanzados. El desarrollo no incluye solamente la tecnología en la construcción del sistema de transporte ( vehículos, caminos y carreteras ), sino también los procedimientos de mantenimiento y correcta utilización de la infraestructura de transporte. Un ejemplo de ello se puede ver muy claramente con la situación de las empresas en Estados Unidos, las cuales migran todo su equipo y maquinaria vieja a países en vías de desarrollo con el fin de abaratar costos de mano de obra. Pero cuentan con un conjunto muy grande de procedimientos
para la correcta utilización de equipo y maquinaria además de sanciones cuando estos procedimientos se llevan a cabo de manera incorrecta.
Figura 1.8. Diseño del año 2000.
Se pueden utilizar las mejores tecnologías para diseñar vehículos seguros, buenas carreteras y caminos, pero si estos no son operados y mantenidos de manera correcta, se pierde el sentido del desarrollo alcanzado.
1.5 LOS AUTOBUSES ESCOLARES
Actualmente en México no existen de manera desarrollada organizaciones que traten ampliamente el tema del transporte escolar. En los países desarrollados se cuenta con diferentes organizaciones y eventos que tratan todo lo referente a este tipo de transporte. Estas actividades mejoran las normas de operación y construcción de estos vehículos. Entre otras cosas cuentan con registros de la existencia de cada vehículo y en algunos casos incluyen las bitácoras de mantenimiento, accidentes y fotografías de cada unidad. Inclusive se tienen datos de cuantos años han estado en funcionamiento. Al final de la vida útil de la unidad algunas veces se selecciona una para mantenerse en buen estado en museos, dedicados exclusivamente al transporte, como lo muestra la figura 1.9. En la fotografía se observa un antiguo autobús escolar exhibido en Duxford, en el Reino Unido. Con el registro EZL90, se desconoce el año y el modelo de esta unidad, pero se observa como es preservado para propósitos históricos.
Figura 1.9. Autobús escolar EZL90
No es difícil mencionar que en el país existe una falta de cuidado de estos vehículos. Es necesario desarrollar una cultura que promueva el mejoramiento del transporte en el país, no solo en el área de transportes escolares sino en todas las áreas como transporte publico, transporte de carga, etc. porque están involucrados factores como la contaminación, el tráfico y la seguridad vial.
1.6. EL ENTORNO DEL TRANSPORTE ESCOLAR EN LA CIUDAD DE MÉXICO
1.6.1. LA PROBLEMÁTICA
La mayor parte de este tipo de autobuses es utilizado en México por las escuelas particulares quienes tienen los recursos suficientes para brindar este tipo de servicio. Esto se debe entre otras cosas a que se deben pagar elementos como:
Costo por otorgamiento de permiso $516
Emplacamiento $393
Tarjeta de circulación $98
En caso de cambio de motor o carrocería se deben pagar $76 pesos más, lo cual suma un total de $1,083 pesos como cantidad inicial para poner en circulación un vehículo de esta naturaleza. Aunado a esto se deben sumar los gastos de mantenimiento, combustible, refacciones cambio de llantas, pago de impuestos por brindar el servicio y pago de seguros. Además de pagar pensiones en caso de que la escuela no cuente con espacio suficiente para estacionamiento y el sueldo del chofer. En la figura 1.10 se muestra la gran cantidad de sellos que representan los impuestos a pagar.
Figura 1.10 Engomados obligatorios, obstrucción de la visibilidad.
Por estas razones, se tiene dificultad para brindar un servicio de alta calidad en materia de transporte escolar. Además de la complejidad que existe solamente para realizar los trámites. Cualquier irregularidad en la papelería correspondiente puede detener o cuando menos aplazar los trámites.
1.6.2. MERCADO DE TRABAJO
El país cuenta con más de 1100 escuelas privadas, cada una de ellas con población de alumnos suficientemente grande como para llenar los sistemas de transporte público, cuando menos dos veces por día de lunes a viernes. Es decir, como lo muestra la tabla 1.1, a nivel nacional, 391 mil millones de pasajeros por kilómetro solamente empleando autobuses. No existe un dato específico sobre el número de unidades dedicadas exclusivamente al transporte escolar debido a que este dato no se recaba en los sistemas de estadística del país. La comprobación de ello, se muestra en el anexo A y en el punto 1.6.4. donde se solicitó este dato a la Secretaría de Trasportes y Vialidad.
Tabla 1.1 Tráfico doméstico de pasajeros por modo de transporte. [IMT,2002]
Si se empleara una mayor cantidad de autobuses escolares, la magnitud del tráfico matutino disminuiría ya que cada uno de estos vehículos debe realizar recorridos que generalmente cambian solo una o dos veces por año.
Es de esperarse un descenso en el consumo de energía que como lo muestra la tabla 1.2, es de 5.9*1018 joules anuales. Lo que en esta ciudad significa,
consumir gran parte del combustible en muy poca distancia, pues los congestionamientos mantienen las unidades encendidas y viajando a un promedio de velocidad muy bajo, los llamados cuellos de botella.
Tabla 1.2 Consumo de energía por tipo de combustible. [IMT,2002]
.
1.6.3. VÍAS ASFALTADAS EN EL DISTRITO FEDERAL
Cuando se lleva a los estudiantes a la escuela en la mayoría de los casos, se crea un cierre momentáneo de las calles pues todos estos automóviles tienden a estacionarse en la entrada de las escuelas. Es de esperarse que esta situación aumente los niveles de ruido, contaminación y riesgo de accidentes. Es por eso que abrir espacio en los 18,851,300 m2 de cinta asfáltica con que se cuenta en el Distrito Federal sería una gran ventaja.
Como lo muestra la tabla 1.3. La mayor cantidad de espacio se tiene en el anillo periférico, circuito interior y el viaducto. Estas avenidas se llenan de automóviles a determinadas horas, transportando en muchos de los casos a una sola persona, esto las convierte de vías rápidas en verdaderos cuellos de botella. El uso de los autobuses moviliza aproximadamente 30 estudiantes por
unidad. Esto en consecuencia disminuye la cantidad de automóviles en circulación y los estacionados afuera de las escuelas.
Tabla 1.3 Infraestructura y equipamiento urbano de la carpeta asfáltica. [IMT,2002]
1 0 .4 .1 . I N FRAESTRUCTURA Y EQUI PAM I EN TO URBAN O DE LA
CARPETA ASFÁLTI CA 1 9 9 9
Vías Rápidas m² Ejes
Viales m² Avenidas Principales m²
Anillo Periférico 2,489,300 Eje
Central 421,000 Insurgentes Centro-Sur 860,000 Circuito Interior 2,021,000 Eje 1
Norte 293,000 Reforma 859,000 Viaducto Miguel
Alemán 712,000 Eje 2 Norte 203,000 Hidalgo-Pte. De Alvarado San Cosme México Tacuba
335,000
Viaducto Tlalpan 236,000 Eje 3
Norte 420,000 Ermita Iztapalapa 659,000 Calzada de Tlalpan 856,000 Eje 4
Norte 309,000 División del Norte 203,700 Parque Vía 518,000 Eje 5
Norte 410,000 Oceanía-Vía Tapo 223,000 Río San Joaquín 282,000 Eje 2 Sur 192,000 Constituyentes 231,000 Insurgentes Norte 330,000 Eje 2-A
Sur 65,000 Río de la Loza-Fray Servando-Chapultepec
460,000
Ignacio Zaragoza 505,000 Eje 3 Sur 293,000 Parque Lira 115,000 Eje 4 Sur 290,000 Observatorio 130,000 Eje 5 Sur 510,700
Eje 6 Sur 491,550 Eje 7 Sur 150,000 Eje 7-A
Sur 86,000 Eje 8 Sur 209,000 Eje 10
Sur 149,000 Eje 1
Oriente 460,500 Eje 2
Oriente 415,000 Eje 3
Oriente 533,550 Eje 5
Oriente 120,000 Eje 1
Poniente 429,000 Eje 2
Poniente 178,000 Eje 3
Poniente 198,000
Subtotal 7,949,300 6,826,300 4,075,700
Total 18,851,300
1.6.4. LA MAGNITUD DEL PARQUE VEHICULAR
En el territorio nacional, se tiene, como lo muestra la tabla 1.4, con un total de 11,089.8 milles de automóviles y solo 89.6 miles de camiones de pasajeros. Cabe recalcar que como lo mencionan las fuentes de la gráfica, para México en la rama de autobuses; No se tienen datos para todos los tipos de autobuses debido a que esos datos no se recopilan. Los datos representan únicamente a los autobuses interurbanos que utilizan el sistema nacional de carreteras.no se tiene un dato exacto del tipo de camión. Aunque ya existe el sistema del Registro Nacional Vehicular, este solo aplica para automóviles a partir del año 2002.
Tabla 1.4 vehículos de motor registrados en circulación. [IMT,2002]
VEHICULOS DE MOTOR REGISTRADOS EN CIRCULACION (Miles)
Automóviles Camión de pasajeros Camión de carga Periodo
Total Públicos Privados Total Públicos Privados Total Públicos Privados
2000 e/ 10,832.4 396.5 10,435.9 204.3 114.7 89.6 4,617.2 100.9 4,516.4
Enero 10,271.1 376.0 9,895.1 202.6 113.7 88.8 4,345.7 94.9 4,250.8 Febrero 10,315.6 377.6 9,938.0 202.6 113.8 88.9 4,366.1 95.4 4,270.7 Marzo 10,365.0 379.4 9,985.6 202.8 113.9 88.9 4,389.5 95.9 4,293.6 Abril 10,406.1 380.9 10,025.2 202.9 114.0 89.0 4,411.0 96.4 4,314.6 Mayo 10,455.3 382.7 10,072.6 203.0 114.0 89.0 4,434.8 96.9 4,338.0 Junio 10,505.3 384.5 10,120.7 203.3 114.1 89.1 4,459.9 97.4 4,362.4 Julio 10,546.8 386.1 10,160.7 203.4 114.2 89.2 4,479.4 97.9 4,381.6 Agosto 10,594.2 387.8 10,206.4 203.6 114.3 89.3 4,499.1 98.3 4,400.8 Septiembre 10,639.4 389.4 10,250.0 203.8 114.4 89.3 4,523.9 98.8 4,425.1 Octubre 10,700.7 391.7 10,309.1 203.9 114.5 89.4 4,553.4 99.5 4,453.9 Noviembre 10,772.9 394.3 10,378.5 204.2 114.7 89.5 4,588.6 100.2 4,488.3 Diciembre 10,832.4 396.5 10,435.9 204.3 114.7 89.6 4,617.2 100.9 4,516.4
2001 11,511.1 421.3 11,089.8 209.4 117.6 91.8 4,908.7 107.0 4,801.7
Enero 10,890.1 398.6 10,491.5 204.6 114.9 89.7 4,639.2 101.4 4,537.8 Febrero 10,944.6 400.6 10,544.0 206.0 115.7 90.3 4,658.6 101.8 4,556.8 Marzo 11,004.1 402.8 10,601.3 207.1 116.3 90.8 4,679.9 102.2 4,577.7 Abril 11,050.5 404.4 10,646.1 207.4 116.4 90.9 4,697.6 102.4 4,595.2 Mayo 11,097.9 406.2 10,691.7 207.6 116.6 91.0 4,716.6 102.8 4,613.7 Junio 11,147.3 408.0 10,739.3 207.9 116.7 91.2 4,733.8 103.2 4,630.6 Julio 11,203.6 410.1 10,793.6 208.1 116.9 91.3 4,752.0 103.6 4,648.4 Agosto 11,255.7 412.0 10,843.7 208.4 117.0 91.4 4,772.2 104.0 4,668.1 Septiembre 11,304.0 413.7 10,890.3 208.5 117.1 91.4 4,795.6 104.5 4,691.1 Octubre 11,361.3 415.8 10,945.5 208.9 117.3 91.6 4,854.5 105.8 4,748.7 Noviembre 11,434.2 418.5 11,015.7 209.1 117.5 91.6 4,881.8 106.4 4,775.4 Diciembre 11,511.1 421.3 11,089.8 209.4 117.6 91.8 4,908.7 107.0 4,801.7
NOTA: Los datos consignados en este cuadro se obtienen con base en estimaciones mensuales fundamentadas exclusivamente en las cifras de ventas de las fuentes informantes referidas. No se aplican "bajas" de vehículos por no contar con documentos que permitan identificar esta información.
Los datos difieren a los publicados en otros productos, debido a que la metodología para obtenerlos es distinta, inclusive la periodicidad de captación.
e/ Cifras estimadas a partir de la fecha en que se indica.
FUENTE: Asociación Mexicana de la Industria Automotriz, A.C. (AMIA). Asociación Nacional de Productores de Autobuses, Camiones y Tractocamiones, A.C. (ANPACT).
De
los datos anteriores se puede concluir que existe un amplio mercado de trabajo en el área de transporte. Lo que justifica la inversión en este campo.
1.6.5. PROBLEMÁTICA SOCIAL Y ECONÓMICA
El exceso de vehículos circulando en el Distrito Federal, como se ha visto, aumenta el tráfico y disminuye el espacio disponible. Esto crea una problemática económica y social. En el aspecto Social, la seguridad juega un papel importante, aún se debe hacer mucho para que las reglamentaciones que se tienen sobre seguridad se lleven acabo correctamente. Por ejemplo, la figura 1.11 muestra la cotidianidad que se pretende cambiar. Los puntos clave son:
• El semáforo en rojo y el vehículo no detiene su marcha.
• Se observan muchos pasajeros en poco espacio, esto es, la unidad esta sobre cargada. Esto hace el viaje muy incómodo. Con esta sobre carga de peso es fácil distinguir que se presentarán problemas mecánicos en la unidad frecuentemente. Lo que significa perdidas de dinero innecesarias.
• Ventilación insuficiente
• La puerta delantera abierta.
• Pasajeros cerca de la puerta o fuera de ella, representando un riesgo tanto para la persona como para los demás conductores. Por otro lado la persona limita el área de visión del conductor.
Figura 1.11 Situación típica en el Distrito Federal
Por el lado económico, al tener los vehículos encendidos tanto tiempo y sin rodar, produce un consumo de combustible no útil y que se paga de manera inevitable, en cantidades de 41.8 centavos de dólar por litro, considerando una gasolina sin plomo. Este dato se muestran en la tabla 1.5 y se ve que no aplican gasolinas con plomo en Canadá ni en Estados Unidos.
Por el lado social, el ingreso de cualquier cambio para mejorar el problema de la vialidad, hace que organizaciones con intereses públicos, particulares, de poder y políticos se movilicen. Ya sea la construcción de nuevas vías para circular o el ingreso de nuevas unidades de transporte, nuevos combustibles, etc. hace que mucha gente busque la forma de beneficiarse de diferentes formas y no en si del problema real. Tal es el caso del pago de grandes gastos de administración y papeleo únicamente para autorización de licencias y permisos de un proyecto.
Tabla 1.5 Precios promedio de combustible a usuarios finales. [IMT,2002]
1.7. MODELO DEL PROBLEMA 1.7.1. EL ENFOQUE
Al ver las cifras anteriores, se denota la presencia de una área de mercado que se debe explotar y que ofrece una gran variedad de oportunidades. Para el caso que se presenta en este trabajo, el enfoque es puramente técnico pero se deriva de un entorno muy grande. Este entorno está conformado por una variedad de soluciones para disminuir los problemas de vialidad del distrito federal. Existen ya los sistemas eléctricos de transporte, de motor de combustible y próximamente los sistemas híbridos. Tomando los sistemas de motor de combustión interna, el trabajo se enfoca a los camiones como solución viable y dentro de ellos se seleccionó a los camiones de transporte escolar.
1.7.2. CONDICIONES DE LAS UNIDADES EN EL PAÍS
Con respecto a las condiciones con las que se deben contar en un autobús de transporte escolar, el reglamente de tránsito brinda la siguiente información:
Autobuses Escolares:
Además de lo indicado en la fracción 1 de este artículo, deberán estar provistos de 2 lámparas delanteras que proyecten luz ámbar intermitente y 2 lámparas posteriores que emitan luz roja intermitente y que funcionen en todo tiempo cuando el vehículo escolar se encuentre detenido para recibir o dejar escolares. Estas lámparas deberán tener un diámetro no menor de 0.125 m. y estar colocadas simétricamente lo más alto posible de la línea del centro del vehículo.
Ahora, cuantos vehículos escolares cumplen realmente estos requisitos?
Por ejemplo en la unidad de la figura 1.12, si se tienen dos lámparas ámbar en la parte delantera aunque son muy pequeñas. Por otro lado el reglamento no especifica nada sobre el diseño de los asientos ni la implementación de cinturones de seguridad, tema que se está tratando fuertemente en Estados Unidos y Canadá.
.
Figura 1.12. Vista frontal de autobús escolar del Distrito Federal.
Figura 1.13. Falta al reglamento.
La unidad mostrada en la figura 1.13 no presenta las dos lámparas posteriores que emitan luz roja intermitente, ni mucho menos colocadas en la parte superior del vehículo. Mas bien se tienen las dos lámparas color ámbar de fábrica y estas son las que se emplean.
Las unidades comúnmente empleadas son como las que se muestran en las figuras 1.14. a y b. En general se muestra una unidad muy usada, pero que sigue brindando servicio y que cumple con los requisitos que marca la ley.
a)
b)
Figura 1.14 Unidades usadas para transporte escolar, a) vista frontal, b) vista lateral
No todas las unidades son antiguas, también se tienen otras un poco más nuevas como la mostrada en la figura 1.15 A y B. En este caso es importante que las lámparas se encuentren en lugar visible. Como ventaja, en una de ellas se puede observar puertas de ascenso y descenso en ambos lados de la unidad. Esto se debe a que en algunos lugares las calles así lo requieren y aumenta las posibilidades de salir en caso de emergencia.
a)
b)
Figura 1.15 Unidad renovada a) y unidad nueva b) para transporte escolar.
En resumen se tiene de entre muchos problemas en el Distrito Federal, uno relacionado con el espacio vial, en cuanto a el parque vehicular, existen tres diferentes soluciones: Los sistemas eléctricos de transporte, sistemas híbridos y los sistemas comunes de combustión interna. Sobre la solución más empleada, la combustión interna, también se tienen tres opciones básicas; los vehículos compactos, los microbuses y los autobuses. De ellos se enfoca hacia los transportes escolares como medio que contribuye a disminuir la contaminación y el tráfico, disminuye el gasto de combustible y aumenta la seguridad y comodidad de sus ocupantes. Por supuesto, como se ha visto, existe toda una problemática social y normativa que aumenta las opciones de trabajo en esta área.
El modelo de este problema se observa así:
PROBLEMÁTICA VIAL EN EL DISTRITO FEDERAL
Parque vehicular vs. Espacio disponible Contaminación, tráfico, gastos, tensión nerviosa,
etc
Motor de combustión interna Sistemas Híbridos
Sistemas eléctricos de transporte
Variedad de soluciones
Camiones
Automóviles Microbuses
Transporte Escolar
Problemática Social y Económica
Problemática
técnica
Problemática Normativa
Gráfica 1.1 Modelo del problema
1.7.3. CONDICIONES DE LAS UNIDADES EN EL EXTRANJERO
En la figura 1.16, se muestra un vehículo de transporte escolar modelo 1999, emplea un chasis General Motors Corporation – B Series, fue fabricado por Blue Bird Corporation Macon en Georgia Estados Unidos y tiene una capacidad de 54 pasajeros. Además de la correcta posición de los reflejantes y los faros, cuenta con un brazo extendible para señalar alto, el cuál se hace visible cada vez que hay un descenso o ascenso de la unidad y los vehículos deben detenerse a una distancia considerable e inclusive los vehículos que circulan en sentido opuesto. Los automóviles no avanzan hasta que el brazo de alto se contrae, y esto sucede solo hasta que todos los ocupantes se encuentran sentados en su lugar. Este tipo de acciones son resultado de una buena educación, sistemas de entrenamiento y educación vial. Este tipo de actitud se debe implantar en nuestro país.
Figura 1.16 Unidad con buen sistema de señalamiento
Existen diferentes diseños para autobuses escolares. La mayoría de los diseños son aceptados siempre y cuando cumplan con las normas correspondientes. Por ejemplo, en la figura 1.17, se muestra un camión construido por la compañía Blue Bird Corporation circula en la ciudad de Roanoke, en el estado de Virginia, tiene la cabina extendida hasta el frente pero cuenta con los reflectores y señaladores adecuados.
Figura 1.17 Autobús con señalador lateral
El tipo de señaladores, posición de los reflejantes, etc. es variable en cada país. La figura 1.18, muestra un autobús que circula en el reino unido, como se ve la configuración es muy distinta a la del autobús americano.
Figura 1.18 Autobús de dos pisos.
Un aspecto interesante es que se conserva una estructura que tiende a ser cuadrada desde los carros tirados por caballo, inclusive de que se trate de un vehículo de dos pisos.
Pasando a la posición de las puertas, se tiene una gran variedad. En la figura 1.19, se muestran dos puertas del mismo lado con un arreglo que en algunos casos es empleado para facilitar el ascenso y descenso de personas con alguna discapacidad.
Figura 1.19 Puertas especiales
Salidas laterales y de emergencia se observan en las figuras 1.20, a) y b), las cuales en caso de un choque, incendio o cualquier otra eventualidad, ayudan a desalojar a los ocupantes del vehículo.
a)
b)
Figura 1.20 a) Salida trasera de emergencia, b) Señalamiento en la parte trasera
1.8. ANTECEDENTES ESPECIFICOS
La Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME tiene una amplia experiencia en el análisis estructural de diferentes elementos mecánicos. Dentro de ellos se ha desarrollado una rama enfocada al análisis estructural de vehículos de transporte.
En 1996 el M en C. Víctor Guerra Loaeza, presenta su trabajo titulado, APLICACIÓN DEL MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO AL ANÁLISIS DE ESFUERZOS DE UN SEMI-REMOLQUE PARA TRAILER TIPO PLATAFORMA. En este trabajo, debido a la relación existente con la compañía Fruehauf, se presentan principalmente dos casos; estático y modal. En este estudio, se determinan los esfuerzos y se proponen dos modificaciones a la sección transversal de la viga analizada. [Guerra, 1996]
En 1998, Héctor Hugo Vásquez Mendoza presenta la OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO ESTRUCTURAL DE UNA PLATAFORMA PARA TRACTOCAMIÓN. [Vázquez, 1998]. Para este efecto realiza el análisis estático de una estructura para remolque tipo escalera. Posteriormente, se busca la reducción del peso de la estructura con la finalidad de tener un mejor rendimiento carga transportada / costo de combustible. Se siguen dos caminos: En el primero se emplea la programación lineal junto con el Método del Elemento Finito. En el segundo se estudia al crear orificios en las varas, las cuales están sometidas a flexión. Para este efecto, se retira material en la vecindad del eje neutro.
También en el año de 1998, el M. en C. José Carlos Zarco Gonzáles, presenta su trabajo, ANÁLISIS ESTRUCTURAL POR EL MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO DEL CASCO DE UNA EMBARCACIÓN TRANSPORTADORA DE SAL DE 101.6M DE ESLORA. Dado la poca capacidad de cómputo que se tenía a la mano, se subestructuro el modelo realizado. En este trabajo se realiza un análisis estático de un superelemento y se comparan los resultados con los obtenidos al aplicar la teoría de la viga-buque. Además se emplea el software auto-SHIP para cálculos de los momentos flexionantes en buques.[Zarco, 1998]
En 1999, se presenta la tesis del M. en C. Cervando Antonio Osuna Amparo con el título; ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y OPTIMIZACIÓN DEL CHASIS DE UN VEHÍCULO DE TRACCIÓN ELÉCTRICA. En este tesis se analizó la estructura de un automóvil eléctrico, con los casos de análisis estático, análisis de frenado, análisis de viraje, análisis modal y se aplicó un espectro para realizar un análisis transitorio y se realizó un estudio de optimización de la estructura. El software empleando fue ANSYS versión 5.3. [Osuna,1999]
En el año 2002, se presenta el trabajo del M. en C. Isabel Esteban Gámez Valenzuela, con el título: ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL CARRO GUIADO DE UN AUTOBÚS COMERCIAL. Este trabajo enfoca más claramente el problema del transporte público en México y la necesidad de desarrollar tecnología y soluciones que contribuyan a mejorar las condiciones del transporte en el país. De manera concreta, en este trabajo se evalúan los campos de esfuerzos de la
estructura de una un autobús articulado que se emplea para transporte público. La importancia de este trabajo es que una unidad de este tipo puede sustituir fácilmente hasta 6 microbuses, lo que tiene grandes ventajas pues entre otras contribuye a disminuir los congestionamientos en la ciudad.
En el año de 2002, en el área de transporte aéreo, presenta el M. en C. Martín Castillo Morales, el trabajo titulado: ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN LA CAJA DE TORSIÓN DE UNA ALA. Generalmente las alas de los aviones sirven como depósitos de combustible y a la vez con los elementos estructurales que reciben el empuje para sostener a la nave en vuelo. En este trabajo se muestra la importancia de conocer los campos de esfuerzos en una ala de avión para dos casos: El ala con el depósito de combustible lleno y vacío. En este análisis se considera una situación de vuelo estable y no se consideran los efectos de tracción provocado por los motores. Este trabajo contribuye al desarrollo tecnológico en el área de la aeronáutica del país. [Castillo,2002]
De igual forma se presenta en el año 2002, el trabajo del M. en C. Gabriel Rojas Vázquez, en donde se presenta la optimización de un sistema de suspensión trasera tipo muelle empleando programas de cómputo para análisis dinámicos. Debido a su relación con la industria, este trabajo amplía el conocimiento sobre este tipo de suspensiones y la forma de analizarse ya en el sector industrial.
También se tiene el análisis efectuado a las empresas AYCO y ALFA, en el cual se realizaron análisis a diferentes unidades de tipo estático, análisis modal, arranque y frenado, y análisis de viraje a la derecha y a la izquierda. Además de la evaluación de los análisis estructurales a trolebuses.
1.9. EL PROBLEMA TÉCNICO
1.9.1. CONFIGURACIÓN DE LA UNIDAD
Para este análisis el vehículo se divide en dos subsistemas, A) Estructura y Chasis y B) suspensión, figura 1.21. La estructura está formada por tubulares cuadrados unidos por soldadura, en la mayoría de los casos, tipo micro alambre. Las dimensiones de los tubulares son en algunos casos de 3 x 1.5” y en otros de 1.5 x 1.5”. Esta estructura conforma el techo, las paredes y soporta la pasamanería. Además parte de ella va sujeta al piso y a las paredes, por medio de soportes atornillados. En la mayoría de los casos el piso está conformado por una serie de canales de lámina, colocados transversalmente y unidos al chasis por medio de sujetadores tipo U. Para evitar dañar estos canales, generalmente se coloca madera entre ellos y el chasis.
En este trabajo se realizaron análisis estructurales para el inciso A, para conocer los esfuerzos y deformaciones en la estructura y el chasis, además se sigue un método para conocer el porcentaje de amortiguamiento, producido por
la suspensión, inciso B. Los análisis estructurales se realizaron por medio del Método del Elemento Finito y el análisis de suspensión se realizó de manera analítica.
a) Estructura y chasis
b) Suspensión
Figura 1.21 Subsistemas que integran la unidad a) Estructura y chasis y b) Suspensión
1.9.2. CONSIDERACIONES PARA EL ANÁLISIS
El presente trabajo se deriva de la necesidad industrial a nivel nacional, dado que se requiere realizar una memoria de cálculo que refleje en la medida de lo posible el verdadero comportamiento de la estructura de un autobús escolar. Con respecto a los análisis mencionados en el punto anterior, aquí se considera el efecto de la suspensión.
Ya que para el análisis se considera la situación más desfavorable, existen elementos que no se toman en cuenta en el desarrollo del modelo. Los elementos no considerados son:
• El laminado exterior que envuelve a la estructura
• Los cristales de las ventanas
• Las puertas
• La pasamanería interior
Nótese que lo anterior, contribuye a incrementar ligeramente las características de rigidez del autobús. A demás no se considera en este análisis los efectos causados por el amortiguamiento. Por lo tanto no se modela ningún elemento de la suspensión
Se supone que todos los pasajeros están sentados así que no se distribuirán sus masas sobre ninguna parte del techo, efecto que se produce por el uso de la pasamanería interior.
Con respecto a lo anterior, se tomarán las condiciones frontera como si se sujetara al chasis de los soportes de las muelles de la suspensión.
Los casos de análisis a desarrollar serán:
• Análisis estático
• Análisis modal
• Análisis dinámico A. Arranque B. Frenado C. Virajes
• Análisis de fatiga
• Análisis de suspensión
No se llevan acabo análisis combinados como frenado y viraje, arranque y viraje, etc. Estos caen en los análisis de fatiga, por lo tanto, realizar análisis combinados requiere la existencia de un historial de carga normalizado para el Distrito Federal, el cuál no existe, se considera que esto queda fuera del alcance del presente trabajo. La creación de un historial de carga requiere entre otras cosas la instrumentación de una unidad, la creación de un recorrido o ruta definida que contiene curvas topes, arranques, frenados, etc. Debido a ello no se puede simplemente suponer un historial de cargas al azar.
1.10. SUMARIO
Como se ha visto, la evolución del transporte en el país ha tenido etapas de desarrollo afectadas por las guerra mundial y el atraso tecnológico, pero a pesar de ello, el desarrollo en esta área sigue incrementándose, los datos muestran que se tiene una gran demanda de trabajo en todas las áreas que integran el transporte. Por otro lado aunque las compañías constructoras ya tienen experiencia en construcción, la realidad es que se están comenzando a emplear de manera más formal los diferentes programas de computo que mejoran la calidad de los diseños. La situación en los países desarrollados coloca al gobierno en una posición muy exigente y se espera que en los próximos años mejore.
En el siguiente capítulo se detallan las características del estudio de la estructura, los diferentes elementos que lo integran, el equipo y la metodología empleada. Se muestran los detalles de las condiciones frontera y las ecuaciones que fundamentan la teoría.
CAPÍTULO 2
FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL ELEMENTO FINITO
En este capítulo se presentan los elementos
esenciales para realizar el análisis estructura de
la unidad. Se presenta la metodología empleada,
así como los diferentes análisis que se plantearon
realizar, en este caso estáticos y dinámicos.
También se mencionan los elementos
importantes sobre el programa ANSYS, pues este
software fue empleado en este trabajo.
2.1. EL MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO
2.1.1. ANTECEDENTES DEL MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO
La base de la metodología del análisis estructural matricial, no tomó forma hasta 80 años después de preceder el periodo de 1850 a 1875, pues se tenían los logros de los investigadores Navier y Sn. Venant, los conceptos de análisis de Maxwell, Castigliano y Mohr.
El progreso en el desarrollo de las teorías y las técnicas de análisis fue particularmente lento en el periodo de 1875 a 1920. Esto se debió en gran medida a las limitaciones prácticas para resolver ecuaciones algebraicas con un número considerable de incógnitas.
Se puede notar que fue muy común asumir la distribución de esfuerzos para las estructuras de principal interés en aquel periodo, al tener los valores de las de fuerzas como incógnitas.
En 1920, en Estados Unidos y en Dinamarca debido a los esfuerzos de Maney y Ostenfeld, las ideas básicas de un análisis de estructuras tomaron forma. Esos puntos representan los precursores de los conceptos de análisis matricial de estructuras que se utilizan actualmente. Las limitaciones debidas al tamaño de los problemas podían manejarse teniendo fuerzas y desplazamientos como incógnitas, continuaron hasta 1932, hasta que Hardy Cross introdujo el método de distribución de momentos. Esto hizo factible la solución de problemas de análisis estructural de magnitudes mas complejas en comparación con los problemas más sofisticados tratados previamente. El método de distribución de momentos fue la herramienta más empleada por los siguientes 25 años hasta la aparición de las computadoras en 1950. Diferentes publicaciones de la época unieron los conceptos de análisis estructural y análisis continuo dando como resultado los procedimientos de análisis matricial. La tecnología del Método del Elemento Finito ha avanzado en diferentes etapas. Zienkiewicz tiene una detallada revisión de ello, motivado por la formulación específica de elementos de esfuerzo plano, y algunos investigadores han establecido ecuaciones para sólidos, placas, placas delgadas y otras formas estructurales. Desde entonces se han hecho avances en aplicaciones de propósito lineal, estático, elástico y se ha puesto atención a diferentes fenómenos como respuesta dinámica, la mecánica de fractura y no linealidades geométricas y de los materiales. Estos desarrollos fueron seguidos por un periodo de intenso desarrollo de programas de computadora de propósito general dedicados a emplear las capacidades del método por el practicante [Zienkiewicz,1987].
2.1.2. APLICACIONES EN TRANSPORTE
2.1.2.1. APLICACIÓN EN AERONÁUTICA
El desarrollo del método del elemento finito se debe mucho al trabajo de individuos involucrados en el diseño estructural aeroespacial, y no es sorprendente que este campo continué adelantado en la aplicación práctica del método. La figura 2.1.
Figura 2.1. Porción analizada de la aeronave.
muestra los rasgos del análisis de elementos finitos de una parte del Boeing 747. La estructura del fuselaje de la aeronave construida con hojas delgadas de metal envuelto alrededor de la estructura creada por marcos y atiezadores. Los miembros del armazón del ala hechos de elementos denominados costillas.
La experiencia ha mostrado que al determinar los campos de esfuerzos producidos por los efectos de doblado en la descripción analítica de la cubierta de la aeronave pueden ser despreciables. Por lo tanto, la cubierta puede consistir de elementos de esfuerzo plano como triángulos y cuadriláteros figura 2.2.
Figura 2.2. Análisis por Elemento Finito de la región del fuselaje y del ala de un avión 747.
El análisis del cuerpo del ala del Boeing 747 muestra que la unión del ala con el cuerpo requiere un total de 7000 incógnitas. Estas son incógnitas de difícil manejo desde el punto de vista del manejo de datos y con respecto a la identificación de errores en el análisis. Por lo tanto, es común dividir la estructura en regiones o subestructuras y cada una de ellas es analizada por el método del elemento finito de manera que se produzca un superelemento. Estos son unidos por un procedimiento convencional para modelar la estructura completa. [Gallager,1975]
Como es costumbre en la fase de diseño de aviones grandes, se realizaron pruebas del 747. Basta decir que ninguna solución basada en conceptos simplificados en ingeniería estructural podrían haber predecido los resultados con precisión como lo haría el método del elemento finito.
Se debe agregar que el comportamiento dinámico de la aeronave es importante desde el punto de vista de la integridad estructural y la calidad del montaje. Ninguno de estos fenómenos puede tratarse con el uso adecuado de conceptos simples de análisis, pero con el análisis por medio del elemento finito esto es muy factible.
2.1.2.2. MECÁNICA DE SÓLIDOS-ESTRUCTURAS
La industria aeroespacial regularmente utiliza el método del elemento finito para determinar la respuesta estática y dinámica de aeronaves y naves espaciales en una amplia variedad de ambientes en los que se pueden encontrar. Por ejemplo la figura 2.4. muestra la nave espacial Columbia y su modelo de elementos finitos
Figura 2.4. El Columbia y su correspondiente modelo de elementos finitos.
.
Las subregiones mostradas usualmente se seleccionan para que correspondan con los componentes de la nave. Estas subregiones son usualmente subdivididas de manera conveniente en elementos finitos para el análisis. Así mismo, en cada elemento se declaran las características del material empleado.[Bickford,1994]
2.1.2.3. ARQUITECTURA NAVAL
Un problema práctico de diseño de forma similar se encuentra en la arquitectura naval. La figura 2.3. se muestra una porción de la mitad de la estructura de una nave moderna. Esto ha sido un reto porque tienen que desplegarse grandes volúmenes de carga en diversos tipos de mares que van de las tibias aguas tropicales hasta los gélidos océanos cercanos a los polos. En el caso mostrado, el incremento del empuje producido por el tanque de petróleo ha producido muchas preguntas con respecto a la integridad estructural y la eficiencia del diseño. Los tanques superiores por ejemplo, han sufrido daños considerables durante el servicio. Razón por la cuál es necesario evaluar los esfuerzos resultantes.
La cubierta es representada por elementos de esfuerzo plano. Los elementos del armazón se utilizan para representar estructuras internas. El numero total de incógnitas a determinar para la parte estructural importante de la nave está en el rango de los 50 000 y de nuevo es común subdividir el problema en muchas subregiones con menores incógnitas por ejemplo subestructuras. En este tipo de problemas se puede ver la gran ayuda que ofrece al diseñador de este tipo de método numérico.
Figura 2.3. Análisis por Elemento Finito de una estructura de barco.
