INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
DISEÑO, ANÁLISIS Y CONSTRUCCIÓN DE UN
CHASIS PARA UN AUTO SAE MINI BAJA
T É S I S
PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA
MECÁNICA
PRESENTA
ING. GERARDO PLATA CONTRERAS
DIRECTOR: DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA CALDERÓN
AGRADECIMIENTOS
A mis padres
Sergio Plata Vázquez
Patricia Contreras González
Por todo su amor y apoyo
A Velia V. Millán Villegas
Por ser una fuente inagotable de amor
A mis hermanos
Victor Hugo, Patricia y Sergio
Porque este triunfo es de todos nosotros
Agradezco a todas las personas que hicieron posible la realización de este proyecto, entre otras, al CONACYT, a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Electrica Zacatenco, a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME Zacatenco y en especial a los profesores y miembros del equipo SEPI Racing Team:
Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón Dr. Orlando Susarrey Huerta
M. A. Amalia Yoguez Seoane Lic. Velia V. Millán Villegas
Dr. Luis Héctor Hernández Gómez M. C. Jorge Ramos Watanabe Ing. Francisco Rosales Iriarte
Ing. Aarón Alejandro Aguilar Espinosa Sra. Teresa Espinosa Rea
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI ESIME Z. III
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE GENERAL III
ÍNDICE DE FIGURAS VII
ÍNDICE DE TABLAS XII
SIMBOLOGÍA XIII
RESUMEN XIV
ABSTRACT XIV
OBJETIVO XV
JUSTIFICACIÓN XV
INTRODUCCIÓN XVII
REFERENCIAS XIX
CAPÍTULO 1 (ANTECEDENTES GENERALES) C1-1
1.1 HISTORIA DEL AUTOMÓVIL C1-2
1.1.2 VEHÍCULOS TODO TERRENO C1-6
1.2ANTECEDENTES DE SAE Y LAS COMPETENCIAS MINI BAJA. C1-7
1.2.1 SAE INTERNACIONAL C1-7
1.3 COMPETENCIAS SAE C1-7
1.4 COMPETENCIAS MINI BAJA C1-9
1.4.1 PRUEBAS ESTÁTICAS DE LAS CARRERAS MINI BAJA C1-10 1.4.1.1 REPORTE DE DISEÑO Y SEGURIDAD C1-11
1.4.1.2 PRESENTACIÓN DE VENTAS C1-11
1.4.1.3 REPORTE DE COSTOS C1-11
1.4.2 PRUEBAS DINÁMICAS C1-11
1.4.2.1 PRUEBA DE SEGURIDAD C1-12
1.4.2.2 PRUEBA DE FRENADO C1-12
1.4.2.3 PRUEBA DE ACELERACIÓN C1-13
1.4.2.4 PRUEBA DE MANIOBRABILIDAD C1-13
1.4.2.5 PRUEBA DE SUBIDA DE PENDIENTE C1-14 1.4.2.6 PRUEBA A TRAVÉS DE ROCAS (ROCK CRAULING) C1-14
1.4.2.7 PRUEBA DE DURACIÓN C1-15
1.4.3 RESULTADOS DE COMPETENCIAS ANTERIORES C1-16 1.5 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS AUTOS SAE- MINI BAJA C1-17
1.5.1 UNIDADES MINI-BAJA C1-17
1.5.2 DESCRIPCIÓN DEL VEHÍCULO SAE C1-17
1.5.2.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES C1-17
1.5.2.2 CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS C1-17
1.5.3 FRENOS C1-18
1.5.4 SUSPENSIÓN C1-18
1.5.5 TRANSMISIÓN C1-19
1.5.6 DIRECCIÓN C1-20
1.5.7 CHASIS C1-20
1.6 POSIBLES USOS DE LOS AUTOS MINI BAJA EN MÉXICO C1-21
1.7 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA C1-22
1.8 REFERENCIAS C1-23
CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS C2-1
2.1 ESTADO DEL ARTE DEL DISEÑO DE UN CHASIS C2-2
2.2 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL CHASIS C2-4
2.3 TIPOS DE CHASIS C2-5
2.3.2 CHASIS DE TIPO CAJA. C2-6 2.3.3 CHASIS DE TIPO CAJA CON REFUERZO O ARRIOSTRAMIENTO. C2-6 2.3.4 CONSTRUCCIÓN UNIFICADA DE CARROCERÍAS Y CHASIS. C2-7
2.4 ASPECTOS BÁSICOS EN EL DISEÑO UN CHASIS C2-8
2.5 DISEÑO ACTUAL DE BASTIDORES C2-9
2.5.1 BASTIDORES AUTOPORTANTES. SUBCHASIS. C2-9
2.5.2 DISEÑO DE BASTIDORES C2-12
2.6 “MASTER MODEL”, COMO NACE UNA CARROCERÍA MODERNA C2-13
2.7 ERGONOMÍA Y HABITABILIDAD C2-17
2.8 MEDIDAS DEL ESPACIO INTERIOR C2-18
2.9 NUEVOS MATERIALES C2-21
2.9.1 INTRODUCCIÓN C2-21
2.9.2 CHAPA DE ACERO C2-22
2.9.3 ALEACIONES DE ALUMINIO C2-23
2.9.4 MATERIALES COMPUESTOS C2-24
2.10 AERODINÁMICA C2-25
2.11 CÁLCULO DE UNA CARROCERÍA C2-26
2.12 RIGIDEZ DEL BASTIDOR C2-28
2.12.1 RIGIDEZ DE FLEXIÓN C2-29
2.12.2 RIGIDEZ DE TORSIÓN C2-29
2.13 CONCEPTOS BÁSICOS DE DINÁMICA VEHICULAR. C2-31
2.14 CICLO DE DESARROLLO DEL PRODUCTO. C2-33
2.15 DESPLIEGUE DE FUNCIONES DE CALIDAD (QFD) C2-35
2.15.1 ASPECTOS ESENCIALES DEL QFD C2-35
2.15.2 METODOLOGÍA DEL QFD C2-36
2.16 PROGRAMA PARA CAD ( SOLID WORKS) C2-37
2.17 EL PROGRAMA ANSYS C2-38
2.18 EL MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO C2-39
2.18,1 ANTECEDENTES DEL MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO C2-30 2.18,2 METODOLOGÍA PARA EL ANÁLISIS POR EL MÉTODO DEL ELEMENTO
FINITO.
C2-40 2.18,3 DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES DE CARGA. C2-41
2.19 PROCESO DE ANÁLISIS DEL ELEMENTO FINITO C2-42
2.20 PROCEDIMIENTO EMPLEADO C2-43
2.21 MODELADO C2-44
2.21.1 ELEMENTOS VIGA-BEAM C2-44
2.21.2 DATOS DE ENTRADA C2-44
2.21.3 ESTABLECIMIENTO DE LAS CONDICIONES DE FRONTERA C2-45 2.21.4 DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL MATERIAL C2-45
2.21.5 ANÁLISIS ESTÁTICO C2-45
2.21.6 ANÁLISIS MODAL C2-45
2.21.6.1 LIMITACIONES Y RESTRICCIONES. C2-45
2.21.6.2 DESCRIPCIÓN DEL ANÁLISIS. C2-46
2.21.7 ANÁLISIS DINÁMICOS C2-47
2.21.8 EVALUACIÓN DE RESULTADOS C2-47
2.22 ECUACIONES FUNDAMENTALES C2-47
2.22.1 FORMULACIÓN VARIACIONAL PARA CONDICIONES DE FRONTERAS HOMOGÉNEAS.
C2-47
2.22.2 MÉTODO VARIACIONAL. C2-48
2.22.3 POLINOMIOS DE INTERPOLACIÓN. C2-49
2.22.4 PLANTEAMIENTO DE LAS ECUACIONES DEL MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO PARA EL ANÁLISIS DE ESFUERZOS MEDIANTE EL PRINCIPIO DE LA MÍNIMA ENERGÍA POTENCIAL.
C2-50
2.23 ANÁLISIS ESTÁTICO C2-55
2.24 COMPORTAMIENTO LINEAL C2-56
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI ESIME Z. V
CAPÍTULO 3 DISEÑO DEL AUTOMÓVIL C3-1
3.1 METODOLOGÍA DEL DISEÑO. C3-2
3.1.1 EL MÉTODO. C3-2
3.2 DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA DEL DISEÑO MECÁNICO C3-3
3.2.1 1ª ETAPA: COMPRENSIÓN DEL PROBLEMA C3-3
3.2.2 2ª ETAPA: DISEÑO CONCEPTUAL C3-4
3.2.3 3ª ETAPA: DISEÑO DE DETALLE. C3-4
3.3 APLICACIÓN DEL DESPLIEGUE DE FUNCIONES DE CALIDAD (QFD) C3-5
3.4 1ª ETAPA: COMPRENSIÓN DEL PROBLEMA. C3-6
3.4.1 PRIMER PASO: IDENTIFICACIÓN DEL CLIENTE. C3-7
3.4.1.1 NECESIDAD. C3-7
3.4.1.2 JUSTIFICACIÓN. C3-7
3.4.2 SEGUNDO PASO: DETERMINACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS Y EXPECTATIVAS DE LOS CLIENTES.
C3-7
3.4.2.1 REQUERIMIENTOS OBLIGATORIOS. C3-8
3.4.2.2 LISTADO DE LOS REQUERIMIENTOS OBLIGATORIOS DE SAE. C3-8
3.4.2.3 REQUERIMIENTOS DESEABLES. C3-14
3.4.2.4 LISTADO DE LOS REQUERIMIENTOS DESEABLES. C3-14 3.4.3 TERCER PASO: DETERMINAR LA IMPORTANCIA RELATIVA DE LOS
REQUERIMIENTOS Y EXPECTATIVAS DE LOS CLIENTES.
C3-15 3.4.3.1 PONDERACIÓN DE REQUERIMIENTOS DESEABLES. C3-16 3.4.4 CUARTO PASO: EFECTUAR UN ESTUDIO COMPARATIVO CON
PRODUCTOS DE LA COMPETENCIA (BENCHMARKING).
C3-17 3.4.5 QUINTO PASO: TRADUCIR LOS REQUERIMIENTOS Y EXPECTATIVAS EN
TÉRMINOS MENSURABLES DE INGENIERÍA.
C3-20
3.4.6 SEXTO PASO: ESTABLECER METAS DE DISEÑO. C3-21
3.5 2ª ETAPA: DISEÑO CONCEPTUAL. C3-26
3.5.1 CLARIFICACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE. C3-27 3.5.1.1 DESCRIPCIÓN EN FORMA RESUMIDA DEL PROBLEMA. C3-27
3.5.2 GENERACIÓN DE CONCEPTOS. C3-28
3.5.2.1 PROPUESTAS DE CONCEPTOS. C3-29
3.5.3 EVALUACIÓN DE CONCEPTOS. C3-29
3.5.3.1 MATRICES DE EVALUACIÓN. C3-29
3.6 3ª ETAPA: DISEÑO DE DETALLE. C3-31
3.6.1 DIBUJOS EN DOS Y TRES DIMENSIONES DE LOS CONCEPTOS SELECCIONADOS.
C3-31 3.6.2 REALIZACIÓN DE LOS ANÁLISIS EN ANSYS DE LAS DOS PROPUESTAS. C3-32 3.6.2.1 GENERACIÓN DE LOS MODELOS EN ELEMENTOS FINITOS DE LAS
DOS PROPUESTAS.
C3-32
3.6.2.2 DESARROLLO DEL ANÁLISIS. C3-32
3.6.2.3 PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS. C3-32
3.6.2.4 ANÁLISIS ESTÁTICO. C3-35
3.6.2.5 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS. C3-35
3.6.3 SELECCIÓN DEL MODELO. C3-36
3.6.4 MODELADO EN SÓLIDO DEL CHASIS PROPUESTO. C3-36 3.6.5 INTERACCIÓN DEL CHASIS CON LOS DEMÁS ELEMENTOS. C3-37
3.6.5.1 SISTEMA DE TRANSMISIÓN. C3-38
3.6.5.2 SISTEMA DE DIRECCIÓN. C3-39
3.6.5.3 SISTEMA DE SUSPENSIÓN. C3-39
3.6.6 CAMBIOS POR CONCEPTO DE INTEGRACIÓN DE LOS SISTEMAS. C3-40
3.6.7 NUEVO DISEÑO . C3-41
3.6.8 PLANO GENERAL. C3-44
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DEL CASO DE ESTUDIO C4-1
4.1 ANÁLISIS DEL CASO DE ESTUDIO METODOLOGÍA DEL DISEÑO. C4-2 4.2 GENERACIÓN DEL MODELO EN ELEMENTOS FINITOS PARA EL DISEÑO FINAL C4-2
4.3 PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS. C4-3
4.3.1 CARACTERÍSTICAS DEL MODELO DE ELEMENTOS FINITOS. C4-5
4.4 REALIZACIÓN DE LOS ANÁLISIS DINÁMICOS Y ESTÁTICOS C4-6
4.4.1 ANÁLISIS ESTÁTICO. C4-6
4.4.1.1 CARACTERÍSTICAS DEL ANÁLISIS ESTÁTICO. C4-6 4.4.1.2 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS ESTÁTICO. C4-7
4.4.2 ANÁLISIS MODAL. C4-10
4.4.2.1 CARACTERÍSTICAS DEL ANÁLISIS MODAL C4-10 4.4.2.2 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS MODAL. C4-10
4.4.3 ANÁLISIS DE ARRANQUE. C4-14
4.4.3.1 CARACTERÍSTICAS DEL ANÁLISIS DE ARRANQUE C4-14 4.4.3.2 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS DE ARRANQUE. C4-15
4.4.4 ANÁLISIS DE FRENADO. C4-17
4.4.4.1 CARACTERÍSTICAS DEL ANÁLISIS DE FRENADO. C4-17 4.4.4.2 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS DE FRENADO. C4-18
4.4.5 ANÁLISIS DE VIRAJE A LA DERECHA. C4-20
4.4.5.1 CARACTERÍSTICAS DEL ANÁLISIS DE VIRAJE A LA DERECHA. C4-20 4.4.5.2 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS DE VIRAJE A LA DERECHA. C4-21 4.4.6 ANÁLISIS DE VIRAJE A LA IZQUIERDA CON FRENADO. C4-24 4.4.6.1 CARACTERÍSTICAS DEL ANÁLISIS DE VIRAJE A LA IZQUIERDA CON
FRENADO.
C4-24 4.4.6.2 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS DE VIRAJE A LA IZQUIERDA
CON FRENADO.
C4-25
4.4.7 ANÁLISIS DE TORSIÓN C4-27
4.4.6.1 CARACTERÍSTICAS DEL ANÁLISIS DE TORSIÓN C4-27 4.4.6.2 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS DE TORSIÓN C4-27
4.4.8 ANÁLISIS DE FATIGA C4-30
4.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS C4-31
4.6 REFERENCIAS C4-33
CAPÍTULO 5. CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS DEL PROTOTIPO C5-1
5.1 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO C5-2
5.1.1 ESPECIFICACIONES DEL MATERIAL C5-2
5.1.2 PLANO Y LISTA DE MATERIAL C5-3
5.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DEL CHASIS C5-5
5.2.1 PROCESOS DE PREPARACIÓN C5-6
5.2.2 CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA BÁSICA C5-16
5.2.3 INTEGRACIÓN CON OTROS SISTEMAS C5-19
5.2.4 ACABADO C5-22
5.2.5 RESULTADO DE LA CONSTRUCCIÓN DEL CHASIS C5-24
5.3 RESULTADO DEL PROTOTIPO FINAL C5-24
5.3.1 CARACTERÍSTICAS DEL PROTOTIPO C5-25
5.3.2 CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS [5.2], [5.3] C5-25
5.3.3 CARACTERÍSTICA DINÁMICAS [5.2] [5.3] C5-27
5.4 PRUEBAS DEL PROTOTIPO DEL CHASIS C5-29
5.4.1 PRUEBA DE VIBRACIÓN. C5-31
5.5 EVALUACIÓN DE REQUERIMIENTOS C5-35
5.6 DESCRIPCIÓN DE LAS CARRERAS Y PROBLEMAS C5-36
5.6.1 CARRERA EN TOLUCA, NOVIEMBRE DEL 2002 C5-36
5.6.2 CARRERA EN QUERÉTARO, FEBRERO 2003 C5-37
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI ESIME Z. VII
CONCLUSIONES XX
TRABAJO FUTURO XXI
ANEXOS
ANEXO [1] PROPUESTAS DE CONCEPTOS ANEXO [2] MATRICES DE EVALUACIÓN
ANEXO [3] CERTIFICADO DE PRUEBAS DEL MATERIAL
ANEXO [4] CALCULO DE LA ENERGÍA CINÉTICA DEL AUTOMÓVIL Y DE LA ENERGÍA DEL MATERIAL
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO 1 (ANTECEDENTES GENERALES)
FIGURA 1.1 VEHÍCULO CON TRES RUEDAS IMPULSADO CON VAPOR C1-2 FIGURA 1.2 PEUGEOT VICTORIA EQUIPADO CON MOTOR DAIMLER (1894) C1-3
FIGURA 1.3 AUTOMÓVIL FORD “T” DE 1917 C1-4
FIGURA 1.4 NASH STANDARD SIX SERIE 400 DE 1928. C1-4
FIGURA 1.5 VEHÍCULOS MODERNOS C1-5
FIGURA 1.6 VEHÍCULOS JEEP TODO TERRENO C1-5
FIGURA 1.7 EJEMPLO DE UN AUTO MINI BAJA C1-9
FIGURA 1.8 PRUEBA DINÁMICA C1-11
FIGURA 1.9 PRUEBA DE SEGURIDAD C1-12
FIGURA 1.10 PRUEBA DE FRENADO C1-12
FIGURA 1.11 PRUEBA DE ACELERACIÓN C1-13
FIGURA 1.12 PRUEBA DE MANIOBRABILIDAD C1-13
FIGURA 1.13 PRUEBA DE PENDIENTE C1-14
FIGURA 1.14 PRUEBA A TRAVÉS DE ROCAS (ROCK CROWLING) C1-14
FIGURA 1.15 PRUEBA DE DURACIÓN C1-15
FIGURA 1.16 TRANSMISIÓN VARIABLE CONTINUA (CVT) C1-19
FIGURA 1.17 DISEÑO PRELIMINAR DEL CHASIS TRABAJADO EN AUTOCAD 2000 C1-20
FIGURA 1.18 PRELIMINAR DEL CHASIS ANALIZADO EN ALGOR C1-21
CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
FIGURA 2.1 DOS MODELOS DE BASTIDOR C2-2
FIGURA 2.2 ESTRUCTURA MONO CASCO C2-3
FIGURA 2.3 SECCIÓN O PERFIL DEL CHASIS DE CANAL O EN “U” C2-4 FIGURA 2.4 PERFIL DE CHASIS COMPUESTO CON DOS CANALES EN CAJA C2-4
FIGURA 2.5 CHASIS TIPO X CON UN PERFIL TUBULAR CENTRAL C2-5
FIGURA 2.6 CHASIS DE TIPO CAJA C2-6
FIGURA 2.7 CHASIS DE TIPO CAJA CON ARRIOSTRADO O REFUERZO EN X C2-6
FIGURA 2.8 ESTRUCTURA MONO CASCO C2-7
FIGURA 2.9 FORMA BÁSICA PARA DISEÑO DE ESTRUCTURAS C2-8
FIGURA 2.10 FORMA FRÁGIL PARA DISEÑO DE ESTRUCTURAS C2-9
FIGURA 2.11 FORMA REFORZADA PARA DISEÑO DE ESTRUCTURAS C2- 9 FIGURA 2.12 JAULA CENTRAL DE UNA CARROCERÍA AUTOPORTANTE C2-10 FIGURA 2.13 CONCEPTO DE SUBCHASIS Y REFUERZOS DE LA JAULA C2-11 FIGURA 2.14 MONTAJE DE DISTINTOS SISTEMAS SOBRE EL SUBCHASIS C2-11
FIGURA 2.15 DEFORMACIÓN CONTROLADA C2- 12
FIGURA 2.16 SIMULACIÓN DE UN IMPACTO C2-13
FIGURA 2.17 HABITABILIDAD DE UN VEHÍCULO C2-14
FIGURA 2.18 PROCESO DE DISEÑO EN LÍNEAS GENERALES C2-16
FIGURA 2.22 ESQUEMA DE NOMENCLATURA USADA PARA DEFINIR LAS DISTINTAS DIMENSIONES HUMANAS A TENER EN CUENTA EN EL DISEÑO ERGONÓMICO DEL HABITÁCULO
C2-21
FIGURA 2.23 DISTINTAS ORIENTACIONES DE MATERIALES COMPUESTOS C2-24
FIGURA 2.24 EJEMPLO DE UNA CARROCERÍA AERODINÁMICA C2-26
FIGURA 2.25 CÁLCULO DE UNA ESTRUCTURA POR MEDIO DEL FEM C2-26 FIGURA 2.26 UN ESQUEMA DE LA METODOLOGÍA SEGUIDA PARA EL ANÁLISIS DE
LA ESTRUCTURA DE UNA CARROCERÍA MEDIANTE EL FEM
C2-27
FIGURA 2.27 MODOS DE DEFORMACIÓN DEL BASTIDOR C2-29
FIGURA 2.28 CONJUNTO BASTIDOR-CARROCERÍA REDUCIDO A UN CUADRO RECTANGULAR
C2-30
FIGURA 2.29 SISTEMA COORDENADO X, Y, Z C2-32
FIGURA 2.30 FUERZAS EXTERNAS ACTUANDO EN UN VEHÍCULO C2-32
FIGURA 2.31 DIAGRAMA DEL QFD ESLABONANDO LAS NECESIDADES Y DESEOS DEL CLIENTE CON LA EMPRESA PROVEEDORA
C2-35
FIGURA 2.32 DIAGRAMA DE LA METODOLOGÍA DEL QFD C2-36
FIGURA 2.33 EJEMPLO DE UN DIBUJO REALIZADO CON SOLID WORKS C2-37
FIGURA 2.34 PROCESO DE ANÁLISIS[2.13] C2-42
FIGURA 2.35 EJEMPLO DE ESTRUCTURA A ANALIZAR C2-43
FIGURA 2.36 ELEMENTOS PIPE C2-44
FIGURA 2.37 ELEMENTO PIPE C2-44
FIGURA 2.38 BARRA EN CASO ESTÁTICO C2-55
FIGURA 2.39 SISTEMA MASA RESORTE C2-59
FIGURA 2.40 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DEL SISTEMA C2-59
CAPÍTULO 3 DISEÑO DEL AUTOMÓVIL
FIGURA 3.1 LAS TRES ETAPAS DE LA METODOLOGÍA DEL DISEÑO C3-3
FIGURA 3.2 1ª ETAPA DEL PROCESO DE DISEÑO C3-3
FIGURA 3.3 2ª ETAPA DEL PROCESO DE DISEÑO C3-4
FIGURA 3.4 3ª ETAPA DEL PROCESO DE DISEÑO C3-5
FIGURA 3.5 LOS SEIS PASOS DEL QFD C3-6
FIGURA 3.6 REQUERIMIENTOS OBLIGATORIOS PARA EL PUNTO DE ARRASTRE C3-8 FIGURA 3.7 REQUERIMIENTOS OBLIGATORIOS PARA LA FORMA DEL CHASIS EN LA
PARTE SUPERIOR
C3-9 FIGURA 3.8 REQUERIMIENTOS OBLIGATORIOS PARA EL SOPORTE TRASERO DEL
CONDUCTOR
C3-10 FIGURA 3.9 REQUERIMIENTOS OBLIGATORIOS PARA LOS SOPORTES LATERALES,
FRONTALES Y TRASEROS
C3-10 FIGURA 3.10 REQUERIMIENTOS OBLIGATORIOS PARA EL ALTO DE LA CABINA C3-11 FIGURA 3.11 REQUERIMIENTOS OBLIGATORIOS PARA LA POSICIÓN DEL
CONDUCTOR
C3-14 FIGURA 3.12 GRAFICA DEL ESTUDIO COMPARATIVO (BENCHMARKING) A
PRODUCTOS DE LA COMPETENCIA
C3-18
FIGURA 3.13 UNIVERSIDAD DE MICHIGAN-DEARBORN C3-19
FIGURA 3.14 CASA DE LA CALIDAD C3-24
FIGURA 3.15 METODOLOGÍA DE LA FASE DE DISEÑO CONCEPTUAL C3-26
FIGURA 3.16 DIBUJOS EN 3D Y 2D C3-31
FIGURA 3.17 DIBUJOS DE LOS CHASIS PROPUESTOS C3-33
FIGURA 3.18 MODELO DE ELEMENTOS FINITOS DE LOS CHASIS PROPUESTOS, A) PROPUESTA 11, B) PROPUESTA 1
C3-33 FIGURA 3.19 RESTRICCIONES DE FRONTERA EN LAS ROTULAS DE LA
SUSPENSIÓN, B) DELANTERA A) TRASERA
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI ESIME Z. IX
PROPUESTA 1, B) PROPUESTA 11, C) DETALLE DE LA PROPUESTA 1, D) DETALLE DE LA PROPUESTA 11
FIGURA 3.22 ESFUERZOS PRODUCIDOS POR EL ANÁLISIS. A) PROPUESTA 1, B) PROPUESTA 11
C3-36
FIGURA 3.23 MODELADO DEL CHASIS EN SOLID WOKS C3-37
FIGURA 3.24 DIBUJO ARTÍSTICO DEL DISEÑO DEL PRODUCTO C3-37 FIGURA 3.25 INTEGRACIÓN DE LOS SISTEMAS DE TRANSMISIÓN C3-38 FIGURA 3.26 INTEGRACIÓN DE LOS SISTEMAS DE DIRECCIÓN C3-39 FIGURA 3.27 INTEGRACIÓN DE LOS SISTEMAS DE SUSPENSIÓN DELANTERA C3-39 FIGURA 3.28 INTEGRACIÓN DE LOS SISTEMAS DE SUSPENSIÓN TRASERA C3-40 FIGURA 3.29 MODELO CON LO NECESARIO PARA ALOJAR LOS SISTEMAS C3-40
FIGURA 3.30 CAMBIOS AL MODELO C3-41
FIGURA 3.31 NUEVO DISEÑO C3-42
FIGURA 3.32 ENSAMBLE DE TODO EL CONJUNTO MODELADO EN 3D C3-43
FIGURA 3.33 PLANO GENERAL PARA SU MANUFACTURA C3-44
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DEL CASO DE ESTUDIO
FIGURA 4.1 DIBUJO DEL CHASIS C4-3
FIGURA 4.2 MODELADO DEL CHASIS C4-3
FIGURA 4.3 MODELO DE ELEMENTOS FINITOS Y CONDICIONES DE FRONTERA C4-4
FIGURA 4.4 DIBUJO DE CARGA ESTÁTICA (A COLOR) C4-6
FIGURA 4.5 DEFORMACIÓN MÁXIMA DE LA ESTRUCTURA EN CONDICIONES DE CARGA ESTÁTICA, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-7 FIGURA 4.6 ESFUERZO PRINCIPAL MÁXIMO EN CONDICIONES DE CARGA
ESTÁTICA, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-8 FIGURA 4.7 ESFUERZO PRINCIPAL MÁXIMO A COMPRESIÓN, A)VISTA GENERAL, B)
VISTA DE DETALLE
C4-9 FIGURA 4.8 ESFUERZO DE VON MISES, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE C4-9 FIGURA 4.9 MODO 1 DE VIBRACIÓN DE LA ESTRUCTURA (53.78 HZ.), A)VISTA
GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-11 FIGURA 4.10 MODO 2 DE VIBRACIÓN DE LA ESTRUCTURA (98.92 HZ), A)VISTA
GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-12 FIGURA 4.11 MODO 3 DE VIBRACIÓN DE LA ESTRUCTURA (110.93 HZ.), A)VISTA
GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-12 FIGURA 4.12 MODO 4 DE VIBRACIÓN DE LA ESTRUCTURA (117.11 HZ.), A)VISTA
GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-13 FIGURA 4.13 MODO 5 DE VIBRACIÓN DE LA ESTRUCTURA (135.74 HZ.), A)VISTA
GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-13 FIGURA 4.14 CONDICIONES DE FRONTERA Y ACELERACIÓN, CONSIDERADAS PARA
EL ANÁLISIS DE ARRANQUE DE LA ESTRUCTURA
C4-14 FIGURA 4.15 DEFORMACIÓN MÁXIMA EN EL ANÁLISIS DE ARRANQUE, A)VISTA
GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-15 FIGURA 4.16 ESFUERZO PRINCIPAL MÁXIMO PRODUCIDO POR EL ANÁLISIS DE
ARRANQUE, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-15 FIGURA 4.17 ESFUERZO PRINCIPAL MÁXIMO A COMPRESIÓN PRODUCIDO POR EL
ANÁLISIS DE ARRANQUE, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-16 FIGURA 4.18 ESFUERZO DE VON MISES PRODUCIDO POR EL ANÁLISIS DE
ARRANQUE, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-16 FIGURA 4.19 CONDICIONES DE FRONTERA Y CARGA, QUE SON CONSIDERADAS
PARA EL ANÁLISIS DE FRENADO
C4-17 FIGURA 4.20 DEFORMACIONES DEL ANÁLISIS DE FRENADO DE LA ESTRUCTURA,
A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-18 FIGURA 4.21 ESFUERZO PRINCIPAL MÁXIMO PRODUCIDO POR EL ANÁLISIS DE
FRENADO, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
ANÁLISIS DE FRENADO, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE FIGURA 4.23 ESFUERZO DE VON MISES PRODUCIDO POR EL ANÁLISIS DE
FRENADO, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-|9 FIGURA 4.24 CONDICIONES DE FRONTERA Y PARÁMETROS CONSIDERADOS POR
EL ANÁLISIS DE VIRAJE A LA DERECHA
C4-21 FIGURA 4.25 DEFORMACIONES DEL VIRAJE A LA DERECHA, A)VISTA GENERAL, B)
VISTA DE DETALLE
C4-21 FIGURA 4.26 ESFUERZO PRINCIPAL MÁXIMO POR EL ANÁLISIS DE VIRAJE A LA
DERECHA, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-22 FIGURA 4.27 ESFUERZO PRINCIPAL MÁXIMO A COMPRESIÓN POR EL ANÁLISIS DE
VIRAJE A LA DERECHA, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-22 FIGURA 4.28 ESFUERZO DE VON MISES PRODUCIDO POR EL ANÁLISIS DE VIRAJE A
LA DERECHA, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-23 FIGURA 4.29 CONDICIONES DE FRONTERA Y PARÁMETROS CONSIDERADOS POR
EL ANÁLISIS DE VIRAJE A LA IZQUIERDA Y FRENADO
C4-24 FIGURA 4.30 DEFORMACIONES POR EL ANÁLISIS DE VIRAJE A LA IZQUIERDA Y
FRENADO, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-25 FIGURA 4.31 ESFUERZO PRINCIPAL MÁXIMO POR EL ANÁLISIS DE VIRAJE A LA
IZQUIERDA Y FRENADO, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-25 FIGURA 4.32 ESFUERZO PRINCIPAL MÁXIMO A COMPRESIÓN POR EL ANÁLISIS DE
VIRAJE A LA IZQUIERDA Y FRENADO, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-26
FIGURA 4.33 ESFUERZO DE VON MISES PRODUCIDO POR EL ANÁLISIS DE VIRAJE A LA IZQUIERDA Y FRENADO, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-26 FIGURA 4.34 CONDICIONES DE FRONTERA Y CARGA PARA EL ANÁLISIS DE
TORSIÓN
C4-27 FIGURA 4.35 DEFORMACIONES POR EL ANÁLISIS DE TORSIÓN A)VISTA GENERAL,
B) VISTA DE DETALLE
C4-28 FIGURA 4.36 ESFUERZO PRINCIPAL MÁXIMO POR EL ANÁLISIS DE TORSIÓN
A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-28 FIGURA 4.37 ESFUERZO PRINCIPAL MÁXIMO A COMPRESIÓN POR EL ANÁLISIS DE
TORSIÓN, A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-29 FIGURA 4.38 ESFUERZO DE VON MISES PRODUCIDO POR EL ANÁLISIS DE TORSIÓN
A)VISTA GENERAL, B) VISTA DE DETALLE
C4-29 FIGURA 4.39 REPRESENTACIÓN DE FLUCTUACIÓN DE ESFUERZOS PROMEDIO C4-30 FIGURA 4.40 REPRESENTACIÓN DE FLUCTUACIÓN DE ESFUERZOS PROMEDIO C4-30
CAPÍTULO 5. CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS DEL PROTOTIPO
FIGURA 5.1 MATERIAL PARA EL CHASIS, TUBO ¾ CÉDULA 40 ACERO 1018 C5-3
FIGURA 5.2 PLANO A QUE CONTIENE LA TABLA DE ELEMENTOS C5-4
FIGURA 5.3 DIAGRAMA DE PROSEO DE CONSTRUCCIÓN DEL CHASIS C5-5 FIGURA 5.4 DIAGRAMA DE PROCESO DE PREPARACIÓN DEL MATERIAL C5-6 FIGURA 5.5 DIAGRAMA DE PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA
BÁSICA
C5-16 FIGURA 5.6 DIAGRAMA DE PROCESO DE INTEGRACIÓN CON OTROS SISTEMAS C5-19
FIGURA 5.7 DIAGRAMA DE PROCESO DE ACABADO C5-22
FIGURA 5.8 ESTRUCTURA DEL CHASIS C5-24
FIGURA 5.9 PROTOTIPO FINAL C5-24
FIGURA 5.10 CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS [5.3] C5-29
FIGURA 5.11 VOLCADURA DEL VEHÍCULO C5-30
FIGURA 5.12 LUGARES DE EVALUACIÓN DE VIBRACIONES C5-31
FIGURA 5.13 GRAFICA DE FRECUENCIA C5-33
FIGURA 5.14 GRAFICA DE FRECUENCIA C5-33
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI ESIME Z. XI
FIGURA 5.18 MODIFICACIÓN A LAS CORREDERAS DE LA TRANSMISIÓN C5-37
FIGURA 5.19 CARRERA EN QUERÉTARO C5-37
FIGURA 5.20 DESPERFECTO PRODUCIDO DURANTE LA CARRERA EN QUERÉTARO C5-38 FIGURA 5.21 PRUEBA DE ROCAS EN LA CARRERA EN QUERÉTARO C5-38 FIGURA 5.22 NUEVA IMAGEN DEL PROTOTIPO PARA A CARRERA DE UTAH C5-39 FIGURA 5.23 VOLCADURA EN LA PRUEBA DE MANIOBRABILIDAD EN LA CARRERA
DE UTAH
C5-39
FIGURA 5.24 FINAL DE LA CARRERA DE UTAH C5-40
ÍNDICE DE TABLAS
CAPÍTULO 1 (ANTECEDENTES GENERALES)
TABLA 1.1. PROYECTOS QUE SE REALIZAN EN LOS CAPÍTULOS ESCOLARES DE SEA
C1-7 TABLA 1.2. PUNTUACIÓN DE LAS PRUEBAS EN LAS DIFERENTES CARRERAS MINI
BAJA SAE [1.3]
C1-10 TABLA. 1.3. RESULTADOS DE GANADORES DE LOS ÚLTIMOS AÑOS DE LA
COMPETENCIA MINI BAJA OESTE [1.2]
C1-16
CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
TABLA 2.1. PROYECTOS QUE SE REALIZAN EN LOS CAPÍTULOS ESCOLARES DE SEA
C2-2 TABLA 2.2. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LAS CHAPAS DE ACERO DE
DISTINTA NATURALEZA [2.1]
C2-23 TABLA 2.3. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Y FUNCIÓN DE LAS CHAPAS DE ACERO
DE DISTINTA NATURALEZA [2.1]
C2-23 TABLA 2.4. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DEL ACERO Y DEL ALUMINIO [2.1] C2-24
CAPÍTULO 3 DISEÑO DEL AUTOMÓVIL
TABLA 3.1. PONDERACIÓN DE REQUERIMIENTOS DESEABLES C3-16
TABLA 3.2. RESULTADOS DE LA PONDERACIÓN DE REQUERIMIENTOS DESEABLES C3-16
TABLA 3.3. RESULTADOS DE LA COMPETENCIA LOGAN 2002 C3-19
TABLA 3.4. RESULTADO DE LA TRADUCCIÓN (DIAGRAMA DE BLOQUE) DE LOS REQUERIMIENTOS DESEABLES
C3-20
TABLA 3.5. METAS DE DISEÑO C3-21
TABLA 3.6. LAS CINCO METAS DE DISEÑO MAS IMPORTANTES SEGÚN LA CASA DE CALIDAD
C3-25 TABLA 3.7. RESULTADOS DE LA PONDERACIÓN DE REQUERIMIENTOS DESEABLES C3-27
TABLA 3.8. REQUERIMIENTOS PARA GENERAR PROPUESTAS C3-28
TABLA 3.9. PROPUESTAS SELECCIONADAS C3-30
TABLA 3.10. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL MATERIAL DE LA ESTRUCTURA C3-32
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DEL CASO DE ESTUDIO
TABLA 4.1. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL MATERIAL DE LA ESTRUCTURA (ANEXO3)
C4-2
TABLA 4.2. PESOS DE LOS COMPONENTES C4-2
TABLA 4.3. PRIMERAS CINCO FRECUENCIAS NATURALES C4-10
TABLA 4.4. RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS. C4-31
CAPÍTULO 5. CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS DEL PROTOTIPO
TABLA 5.0. MATERIALES PARA CONSTRUCCIÓN C5-2
TABLA 5.2. TABLA DE PROCESO DE PREPARACIÓN DE LOS SOPORTES C5-9 TABLA 5.3. TABLA DE PROCESO DE PREPARACIÓN DEL SOPORTE DE REMOLQUE C5-10 TABLA 5.4. TABLA DE PROCESO DE PREPARACIÓN DE LA PLACA DE FIJACIÓN DEL
MOTOR
C5-12 TABLA 5.5. TABLA DE PROCESO DE PREPARACIÓN DE LA BASE DE LA MESA DEL
MOTOR
C5-13 TABLA 5.6. TABLA DE PROCESO DE PREPARACIÓN DE LOS SOPORTES DE LA BASE
DEL REDUCTOR
C5-14 TABLA 5.7. TABLA DE PROCESO DE PREPARACIÓN DE LOS SOPORTES DE LA BASE
DEL ASIENTO
C5-15 TABLA 5.8. TABLA DE PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA BÁSICA C5-17 TABLA 5.9. TABLA DE PROCESO DE INTEGRACIÓN CON OTROS SISTEMAS C5-20
TABLA 5.10. TABLA DE PROCESO DE ACABADO C5-23
TABLA 5.11. TABLA DE CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS C5-25
TABLA 5.12. TABLA DE CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS C5-27
TABLA 5.13. TABLA DE DESEMPEÑO DEL CHASIS C5-29
TABLA 5.14. TABLA RESULTADOS DE VIBRACIONES DEL CHASIS C5-32 TABLA 5.15. TABLA DE EVALUACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS C5-35 TABLA 5.16. TABLA GENERAL DE RESULTADOS DE LA COMPETENCIA SAE OESTE
2003, PROVO UTAH
C5-41 TABLA. 5.17. COSTOS DEL MATERIAL PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
CHASIS
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI ESIME Z. XIII
SIMBOLOGÍA
(CVT) Transmisión continua variable (QFD) Despliegue de Funciones de Calidad (MEF) Método del Elemento Finito
SEPI Sección de Estudios de Posgrado e Investigación. ESIME Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. IPN Instituto Politécnico Nacional.
a Aceleración. ar Aceleración radial.
σa Amplitud de esfuerzo fluctuante. d Constante del material. S Distancia.
σ Esfuerzo.
Sy Esfuerzo de cedencia. Se Esfuerzo límite a la fatiga.
σmax Esfuerzo máximo.
σmin Esfuerzo mínimo.
σprom. Esfuerzo promedio. Su Esfuerzo ultimo a tensión. n Factor de seguridad.
[K] Matriz de rigidez global.
{U} Matriz del vector de desplazamiento.
{F} Matriz del vector de fuerza. N Número de ciclos.
MA Número de ciclos permitidos a un determinado nivel de amplitud de esfuerzos. ni Número de ciclos soportados a un nivel de carga.
w Peso. r Radio de giro. v Velocidad final. vo Velocidad inicial.
RESUMEN
En este trabajo se muestra el diseño, análisis, construcción y pruebas realizadas a un chasis para auto SAE Mini Baja. Por tal motivo, la información aquí presentada está relacionada a otros dos trabajos desarrollados en la SEPI ESIME, con el objetivo de construir un prototipo de vehículo todo terreno, para competencias SAE Mini Baja Oeste.
El diseño del chasis se elaboró con ayuda del “Despliegue de Funciones de Calidad (QFD)”, el cual permite conocer y cumplir con los requerimientos del cliente. Para el análisis de esfuerzos del chasis se utilizó el “Método del Elemento Finito”, aplicado en condiciones de carga estática y dinámica, lo que permitió definir las herramientas para diseñar una estructura resistente, ligera, atractiva y confiable para su buen funcionamiento. La construcción se llevó a cabo en conjunto con el SAE ESIME Zacatenco, dando como resultado un vehículo todo terreno para las competencias de SAE Mini Baja Oeste.
El chasis del vehículo fue probado en varias competencias, siendo estas, la carrera en Toluca en Noviembre del 2002, la carrera en Querétaro en Febrero del 2003 y, finalmente, la carrera en Utah USA en Mayo del 2003.
De esta manera, en el presente trabajo se demuestra que el chasis fabricado con el uso de técnicas de diseño, se creó el diseño más confiable y eficiente, al menor costo y tiempo, con resultados satisfactorios, ya que sus características fueron probadas y evaluadas bajo circunstancias desfavorables.
ABSTRACT
This research is the result of the design, analysis, construction and test made to a chassis of a SAE Mini Baja vehicule. For this reason the information presented is link to other two researchs developed in the SEPI ESIME with the objective of building a vehicule prototype for all terraint
The chassis design was made with the QFD (Quality Fuctions Deployment), which allows us to know and to accomplish the customer necesities.
The stress analysis was used the Finet Element Method, under static and dynamic contidions. All this help to define the proper tools for the design of a resistent and light estructure, atractive and safe, for a good performance.
The construction was made with the SAE ESIME ZACATENCO team and the result was a landrover vehicule for SAE Mini Baja Oeste racings.
The chassis was tested in the following racings: Toluca, November 2002; Queretaro, February 2003 and Utah USA, May 2003.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI ESIME Z. XV
OBJETIVO
Diseñar, analizar y construir un chasis para un auto SAE Mini Baja, empleando al QFD como metodología para diseñar, auxiliándose de herramientas como los programas Solid Works, Ansys y ADAMS para el modelado, análisis de los esfuerzos y deformaciones que se generan bajo carga estática y dinámica, muy similar a las metodologías que se utilizan en la industria automotriz. El prototipo construido será fabricado y probado para poder competir en 5 diferentes carreras nacionales, una internacional y en eventos interuniversitarios organizados por SAE.
JUSTIFICACIÓN
México es uno de los países emergentes de los más importantes en el mundo, gracias a las grandes capacidades con las que cuenta y que son apreciadas por aquellas empresas trasnacionales que buscan lugares donde producir los principales productos de consumo, los cuales día a día requieren ser de mejor calidad y bajo costo. Nuestro país ha ofrecido buenas condiciones para que estas empresas depositen su inversión y generen empleos, tales como, mano de obra barata, posición estratégica, etc., convirtiéndonos así en un país maquilador y no productor.
Pero el mundo cambia y con la llamada globalización, se ha provocado que muchos de países se abran para ofrecer mejores condiciones a los grandes capitales. Uno de los casos más notables es la República de China, la cual ha pasado de ser un país cerrado en su comercio a un país que tiene la mayor parte de empresas occidentales, invirtiendo en plantas maquiladoras para obtener una creciente competitividad en sus productos.
México, por su parte, carece de las condiciones políticas y económicas que permitan hacer frente a la desventaja que día a día es más notable con la salida de capital extranjero. Una de las soluciones que podría ayudar a este país a generar sus propios recursos y no depender de las empresas transnacionales para la generación de empleos que la sociedad demanda, es la de generar nuevos productos que sean no sólo fabricados aquí sino también que sean diseñados en nuestro país para su consumo nacional e internacional. Pero para que este mecanismo pueda funcionar es necesario que exista el recurso humano capaz de desarrollar nuevos productos atractivos para la participación de nuevas inversiones.
No debe perderse de vista que otro segmento industrial de la rama automotriz, es la fabricación de autobuses, tanto urbanos como foráneos. En este sector la SEPI-ESIME ha participado en el diseño estructural haciendo las aportaciones que en dicha rama no se tenía la capacidad para generar.
Este trabajo esta enfocado a poner en marcha la creatividad y destreza de las futuras generaciones, para que desarrollen nuevos productos, mediante una base tecnológica de nueva creación y su comercialización, buscando con ello que dichos productos sean demandados en el resto del mundo.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI ESIME Z. XVII
INTRODUCCIÓN
Actualmente en la industria automotriz hay una creciente preocupación por la seguridad de los conductores y por la reducción de costos en los vehículos de serie, esto ha dado como consecuencia que día con día los diseños de los vehículos deban ser más eficientes y seguros, para lo cual el análisis estructural se ha hecho indispensable en cada uno de los diseños.
A este respecto, el análisis estructural afronta grandes retos, tales como: la creación de estructuras que resistan un mayor número de fuerzas externas y deformaciones, cuyo peso sea menor, de fácil fabricación y a un menor costo, con estructuras reciclabes, pero proporcionando mayor seguridad a los pasajeros en caso de impactos, entre otras.
Por tal motivo, el objetivo de este trabajo es el de diseñar, analizar y construir un chasis para un auto SAE Mini Baja, empleando al QFD como metodología de diseño en conjunción con los programas Solid Works, Ansys y ADAMS para el modelado, análisis de los esfuerzos y deformaciones que se generan en condiciones de carga estática y dinámica, similar a las metodologías que se utilizan en la industria automotriz.
Esta investigación se divide en cinco capítulos, en el primero se muestra la evolución de los automóviles y su diseño, así como su gran aporte a la humanidad. Así también se da presenta una semblanza de los autos SAE Mini Baja, detallando sus características, su historia, las competencias, entre otros.
El planteamiento del problema se menciona claramente en este capítulo, el cual nos ayuda a delimitar el caso de estudio.
En el segundo capítulo se mencionan las bases de la dinámica vehicular para realizar el diseño, modelado y análisis del caso de estudio; así como las herramientas computacionales para realizar dichas tareas y los fundamentos matemáticos para el empleo del Método del Elemento Finito en el análisis de estructuras vehiculares.
En el tercer capítulo se describe la metodología y los pasos que se llevaron a cabo para realizar el diseño del caso de estudio, en donde se involucran todos los requerimientos que se deben cumplir, la generación de ideas para dar solución a esos requerimientos y los análisis para definir el modelo.
En el capítulo cuatro se hace un análisis a fondo de la estructura del vehículo, la cual es sometida a condiciones simuladas muy apegadas a la realidad y se realiza un ciclo de optimización de la estructura, con el fin de obtener el modelo final. Dicho modelo fue fabricado en los talleres de la SEPI ESIME D.F. y en los talleres ENAC Puebla.
adecuado, así como los cambios que se realizaron para ejecutar la manufactura del mismo.
Cabe señalar que dentro de la SEPI-ESIME existen antecedentes relacionados al análisis de estructuras, aplicando el Método del Elemento Finito y con respecto al área de transporte terrestre, se encuentran los trabajos de Guerra (vea Guerra Loeza, V. [1]), Alvarado (vea Alvarado Gutiérrez, G. [2]), Vázquez (vea Vázquez Mendoza, H.H. [3]), Esteban Gamez (vea Esteban Gamez, V. [4]), Luis A. Flores (vea Luis A. Flores H. [5]), Martín Castillo (vea Martín Castillo Morales [6]), Osuna Amparo (vea Osuna Amparo Cervando Antonio. [7]), Zarco Gonzáles (vea Zarco Gonzáles José Carlos. [8]). El primero hace un análisis de esfuerzos de un semi-remolque para trailer tipo plataforma; el segundo analiza los elementos estructurales de tiro de un remolque lavador de aisladores. Por su parte Vázquez trata el problema de la optimización del diseño estructural de la plataforma y que es analizada por Guerra; Esteban hace el modelado y análisis completo de un carro guiado de transporte de pasajeros, mientras que Martín Castillo realiza el análisis de esfuerzos en caja de torsión en una ala. Finalmente Luis hace el análisis para un autobús escolar del gobierno del D.F.
De esta manera agradezco a todas las personas que hicieron posible la realización de este proyecto, entre las que destacan el CONACYT, la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Zacatenco, la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME Zacatenco y, en especial, a los profesores y miembros del equipo SEPI Racing Team; quienes dieron una parte de sí para el desarrollo de este proyecto de investigación.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI ESIME Z. XIX
REFERENCIAS
[1] Guerra Loeza, V, Aplicación del Método del Elemento Finito al Análisis de Esfuerzos de un Semi-remolque para trailer tipo Plataforma, Tesis de Maestría, Instituto Politécnico Nacional, México, (1996).
[2] Alvarado Gutiérrez, G., Análisis de los Elementos Estructurales de Tiro de un Remolque Lavador de Aisladores, Tesis de Maestría, Instituto Politécnico Nacional, México (1996).
[3] Vázquez Mendoza, H. H., Optimización del Diseño Estructural de una Plataforma para Tractocamión” Tesis de Maestría, Instituto Politécnico Nacional, México, (1998).
[4] Esteban Gamez V., Análisis Estructural del Carro Guiado de un Autobús, Tesis de Maestría, Instituto Politécnico Nacional, México D.F. 2002.
[5] Luis Armando Flores Herrera, Análisis Estructural de un Autobús Escolar, Tesis de Maestría, Instituto Politécnico Nacional, México D.F. Julio 2002.
[6] Martín Castillo Morales, ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN LA CAJA DE TORSIÓN DE UNA ALA, Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN. México 2002.
[7] Osuna Amparo Cervando Antonio, Análisis Estructural y Optimización del Chasis de un Vehículo de Tracción Eléctrica, Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN. México, 1999.
CAPÍTULO 1
ANTECEDENTES GENERALES
1.1 HISTORIA DEL AUTOMÓVIL
La historia de las carrocerías se inicia con la de la locomoción, con la invención de la rueda y registra una lenta pero constante evolución a través de las civilizaciones Siria, Babilónica, Egipcia, Griega y China. En realidad fue con los romanos cuando la locomoción tomó forma orgánica y el carruaje o carroza (término derivado de la palabra latina de origen galo “carruca”) tuvo un desarrollo excepcional.
Los pioneros del automovilismo instalaron los primeros grupos mecánicos sobre carruajes, en correspondencia con el eje trasero y resolvieron el problema de la conducción sustituyendo el timón por órganos rudimentarios de dirección, en general, por barra o por pivote central.
El inicio de la edad de los vehículos con motor ocurrió alrededor de 1769 [1.1] cuando el ingeniero militar francés, Nicholas Joseph Cugnot (1725-1801 Figura 1.1) construyó un vehículo con tres ruedas impulsado con vapor, con el propósito de transportar piezas de artillería. La carrocería era por esta razón la de un carro robusto que podría transportar de 4 a 5 toneladas de carga. Pocos años después un modelo mejorado fue construido, sólo para causar el primer accidente automotriz cuando se estrelló contra la pared. Este fue seguido por un vehículo de vapor construido en 1784 por el ingeniero, James Watt (1736-1819). Para 1802, Richard Treuvithich (1771-1833), un inglés, desarrolló un carruaje que viajaba de Cronwall a Londres. El carruaje encontró su fin cuando se quemó una noche después de que Treuvithch olvido apagar el fuego de la caldera. Sin embargo, el negocio de los carruajes impulsados con vapor en Inglaterra, creció hasta 1865, cuando se produjo la competencia con los ferrocarriles y leyes más estrictas en contra de la velocidad, produjo el fin de los carruajes impulsados con vapor.
Figura. 1.1. Vehículo con tres ruedas impulsado con vapor
coche con motor de petróleo se fabricó en 1890: la carrocería la hizo la Société PEUGEOT y el motor lo fabricó, con licencia de DAIMLER, la firma PANHARD et LEVASSOR (figura 1.2). Para consumir poco combustible los automóviles se hacían ligeros utilizando tubos para el chasis y madera o cuero para la carrocería. Como los motores desprendían calor y olores, la carrocería era abierta, con lo que se conseguiría una buena ventilación. Además esta disposición permitía que los ocupantes salieran despedidos del automóvil en caso de accidentes (las carretas no tenían firme de macadán y sí numerosos coches).
Figura. 1.2. PEUGEOT VICTORIA equipado con motor DAIMLER (1894)
El primer automóvil impulsado por un motor a gasolina arribó en 1886 dándole el crédito a Kart Benz (1844-1929) y Gottlied Daimler (1834-1900) trabajando independientemente. En la siguiente década los automóviles fueron desarrollados por otros pioneros como fueron Rene Panhard, Emile Lavassor, Armand Peugeot, Frank y Charles Duryea, Henry Ford y Ranson Olds entre otos. Para 1908, la industria automotriz se estableció en los Estados Unidos con Henry Ford, fabricando el modelo T y la General Motors Corporation fue fundada. En Europa las compañías familiares como Daimler, Opel. Renault, Benz y Peugeot fueron reconocidas como productoras de automóviles, para 1909 cerca de 600 automóviles Americanos habían sido fabricados.
Figura. 1.3. Automóvil FORD “T” de 1917
Al terminar la guerra y con ella las necesidades de armamento, los fabricantes franceses volvieron a fabricar automóviles, pero siguiendo el ejemplo de Ford: la producción en cadena. Citroën fue el primero en lanzar un pequeño coche popular en 1922, el Citroën 5 CV después de haber producido en cadena otro modelo más potente desde 1919. Los coches de esta época se hicieron primeramente con carrocería tipo torpedo, más tarde se introdujeron otros modelos con carrocería cerrada y por tanto, de conducción interior.
Ya en 1924, fue también Citroën, quien gracias a la técnica de embutición de las chapas y a la soldadura por resistencia por puntos, hizo las primeras carrocerías totalmente metálicas para vehículos cerrados, ya en 1914 Dodge sacó un vehículo con carrocería enteramente metálica, pero no era cerrado, como se muestra en la figura1.4. La forma general de las carrocerías, en la parte del habitáculo, era la de un paralelepípedo rectángulo, cuyos ángulos se iban a redondear cada vez más hasta 1934.
Figura. 1.4. Nash Standard Six serie 400 de 1928.
forma “puente” es decir, que los faros estaban integrados en las aletas delanteras y éstas en el capó. Los constructores europeos evolucionarían en la misma dirección, pero los nuevos modelos producidos fueron de carrocería auto portantes, lo que permitía hacer coches más ligeros y económicos.
Después, la línea de todos los constructores europeos evolucionó hacia una simplificación de las formas. Los flancos forman una superficie sin resaltes, llamada de “aleta continua”. Los carroceros italianos y los estilistas americanos tienen gran influencia sobre la moda y marcan la pauta en cuanto a la forma de las carrocerías europeas. Hasta 1960 las formas redondeadas de las carrocerías eran más usadas, con los techos bombeados. Después los techos se hacen más planos y los radios de enlace en los ángulos más pequeños; los capos son más inclinados. Desde 1965 y hasta la actualidad, los faros tienen tendencia a ser obloides o rectangulares. La altura de la carrocería baja un poco.
La forma y comodidades de una carrocería son factores muy importantes en la actualidad en el éxito de un modelo. El juicio estético es en realidad el primero en ser formulado (figura 1.5.) y sólo en una segunda fase se adentra en consideraciones técnicas. Por eso la estética y la seguridad son, por este orden, los dos factores que más han influido en la evolución técnica y en la estilística de los automóviles en los últimos años y probablemente, los que más influyan en los años venideros, eso sí, cada vez con un mayor peso específico de la seguridad, como respuesta a una preocupación cada vez mayor por el tema de la seguridad pasiva, así como a una legislación cada vez más exigente.
1.1.2 VEHÍCULOS TODO TERRENO
Otro de los segmentos de automóviles es el de los autos a Todo Terreno, los cuales surgen en el periodo de la Segunda Guerra Mundial. Tras la superación de la Gran Guerra y el avance técnico conseguido, se notaba la falta de un vehículo de infantería que sustituyera al caballo, esa insigne bestia que por más de 4000 años había prestado servicio al hombre en el campo de batalla.
En la búsqueda de un transporte eficaz, se probaron varias soluciones. Incluso el ejército norteamericano probo el Ford T en la década de los veintes; pero el motor no era muy potente. A mediados de los 30, surgieron propuestas como los camiones Marmon Herrington 4x4. Pero dichos vehículos resultaban muy pesados, aunque su capacidad de carga era buena y tenía suficiente movilidad para que el ejército encargara algunos.
Pero faltaba el coche ideal de la caballería y los experimentos y la necesidad obligaban a muchos hombres a acometer la empresa. Entre ellos destacan un par de militares, el capitán Robert G. Howie y el sargento Melvin C. Wiley, que trabajaban en los proyectos durante sus ratos libres. En 1934, Howie había estudiado a fondo los problemas y necesidades que atendería el nuevo vehículo. Para enero de 1937, concluida su investigación ya existían unos planos. El resultado fue un vehículo de bajo perfil y todo terreno.
Así es como surgen esta categoría de nuevos vehículos, los cuales empezaron con el clásico Jeep (figura 1.6.) para el ejercito, la Jeep Statión Wagon, que se convertiría en la Wagoneer, la Cherokee, los cuales los produjo la Willys, Bantam y Ford [1.4].
Hoy en día más y más marcas en el mundo han dedicado muchos de sus esfuerzos para crear vehículos utilitarios que sirvan para poder circular en las ciudades y lugares accidentados. Ya que este mercado proyecta gran crecimiento.
1.2 ANTECEDENTES DE SAE Y LAS COMPETENCIAS MINI BAJA.
1.2.1 SAE INTERNACIONAL
SAE es la Asociación de ingenieros automotrices [1.2] (Society of Automotive Engineers). SAE es una organización que consta de cerca de 80, 000 ingenieros, ejecutivos, educadores, y estudiantes de distintas universidades y escuelas técnicas en más de 97 países en todo el mundo (México, Brasil, Estados Unidos, Canadá, Bulgaria, Colombia, Egipto, Inglaterra, India, Polonia, Rusia, Corea del Sur, España, entre muchas más), y está encargado de regular toda industria que cubre todo el sector de transporte Aéreo, Terrestre, Marítimo y Aerospacial.
Los miembros de SAE comparten información e intercambian ideas para el avance de la ingeniería. Los comités técnicos de SAE emiten más estándares en ingeniería aerospacial y automotriz que cualquier otra organización en el mundo. Se publican cientos de artículos y libros técnicos cada año. Tienen programas de apoyo para proyectos de investigación, los cuales benefician a la industria del transporte. Organizan numerosos eventos, exposiciones, cursos, seminarios, programas de educción continua y conferencias en todo el mundo, que ayudan a la difusión de la información y capacitación de la comunidad.
Dado el enfoque de una asociación como ésta, se hace imperativo que el mercado de ingenieros la conozcan, es por eso que proveen un mecanismo ideal para que desde la etapa universitaria los futuros ingenieros participen de ella; este mecanismo son los ya conocidos capítulos estudiantiles en las Facultades de Ingeniería de las mejores Universidades del mundo.
1.3 COMPETENCIAS SAE
Cada año, las secciones y capítulos de SAE en varias partes de Norte América y del mundo patrocinan competencias en diseño de “productos móviles”. Estos eventos ofrecen la oportunidad de aplicar los conocimientos aprendidos en los libros de texto de ingeniería, al igual que la aplicación de mucha imaginación e ingenio, fomentando el trabajo en equipo, todo esto para producir un producto automotriz (con movimiento autónomo o semiautónomo) viable y/o manufacturable.
En la tabla 1.1 se muestran los distintos proyectos que se realizan en los capítulos escolares de SEA.
Tabla. 1.1. Proyectos que se realizan en los capítulos escolares de SEA
DISEÑO DE UN AVIÓN
(AERO DESIGN) MINI-BAJA
MAQUINA PARA QUITAR NIEVE
¾ DISEÑO DE UN AVIÓN (AERO DESIGN)
Es una competencia que brinda a los estudiantes con interés en la aeronáutica e ingeniería aerospacial, la oportunidad de diseñar y construir un Aeroplano radio controlado y competir con otros equipos para determinar que aeroplano es capaz de despegar y aterrizar cargando el mayor peso posible
¾ FORMULA SAE
La formula SAE es para estudiantes ingenieros con el fin de diseñar, fabricar, y competir con pequeños autos de carreras. La imaginación, el conocimiento y creatividad de los estudiantes son retadas ya que las restricciones del chasis y motor están limitadas.
¾ SUPERMILLA
Esta competencia tiene la intención de dar a los estudiantes de ingeniería la oportunidad de considerar los retos y problemas de alcanzar los requerimientos en la optimización de combustible de los autos de hoy.
¾ MAQUINA CAMINADORA (WALKING MACHINE)
Es una competencia internacional anual que consiste en el diseño y fabricación de un ROBOT. Esto con el fin de hacer que los estudiantes mejoren y demuestren sus conocimientos en ingeniería y retar a los estudiantes a pensar creativamente en el diseño de un máquina que se mueva con “patas o piernas” en lugar de llantas.
¾ MAQUINA PARA QUITAR NIEVE (SNOW MOVIL)
¾ MINI-BAJA
Mini Baja consiste en tres competiciones regionales que simulan proyectos de ingeniería y diseño del mundo real y sus retos relacionados. Los estudiantes de ingeniería tienen como tarea diseñar y construir un vehículo todo-terreno que deberá sobrevivir al castigo severo del terreno tosco. El objetivo de la competición es el de proveer a los estudiantes miembros de SAE de un proyecto que los rete, que involucre las tareas de planeación y manufactura que se encuentran cuando se introduce un nuevo producto al mercado de consumo industrial. Los equipos compiten entre ellos para que su diseño sea aceptado para la manufactura por una firma ficticia. Los estudiantes deben funcionar como un equipo para no sólo diseñar, construir, probar, promover y correr un vehículo hasta los límites de las reglas, pero también generar soporte financiero para su proyecto y al mismo tiempo manejar sus prioridades educativas, en la figura 1.7 se muestra un ejemplo de un auto Mini Baja.
Figura. 1.7. Ejemplo de un auto Mini Baja.
1.4 COMPETENCIAS MINI BAJA
La competencia Mini Baja SAE se originó en la Universidad de Carolina del Sur en el año de 1976, bajo la supervisión del Dr. J. F. Stevens. Desde entonces, este evento se ha desarrollado hasta convertirse en una premier de diseño de ingeniería, organizadas anualmente bajo el patrocinio de SAE.
Hay tres tipos de competencia Mini Baja.
9 Mini Baja Este (East)
9 Mini Baja Medio Oeste (Medwest)
En la Mini Baja Este (East) tiene 8 pruebas diferentes, las cuales son: Pruebas
Estáticas (Reporte de Diseño, Reporte de Costos, Seguridad Pruebas), Pruebas
Dinámicas (Velocidad y Aceleración, Subida de una pendiente o Tracción,
Maniobrabilidad, Maniobrabilidad dentro de un lago y Duración).
En la Mini Baja Medio Oeste (Medwest) tiene 7 pruebas diferentes, las cuales son:
Pruebas Estáticas (Reporte de Diseño, Reporte de Costos, Seguridad). Pruebas
Dinámicas (Velocidad y Aceleración, Subida de una pendiente o Tracción,
Maniobrabilidad y Duración).
En la Mini Baja Oeste (West) tiene 9 pruebas diferentes, las cuales son: Pruebas
Estáticas (Reporte de Diseño, Presentación de Ventas, Reporte de Costos,
Seguridad). Pruebas Dinámicas (Velocidad y Aceleración, Subida de una pendiente o Tracción, Maniobrabilidad, Prueba a través de rocas y Duración).
Tabla. 1.2. Puntuación de las pruebas en las diferentes carreras Mini Baja SAE [1.3].
PUNTUACIÓN PRUEBAS
Mini Baja Este Baja Medio Oeste
Mini Baja Oeste Pruebas Estáticas
Reporte de Diseño 150 150 150
Presentación de Ventas 100
Reporte de Costos 50 50 50
Seguridad -100 a 0 -100 a 0 -100 a 0
Pruebas Dinámicas
Velocidad y Aceleración 100 100 100
Subida de una pendiente o Tracción
100 100 100
Maniobrabilidad 50 100 50
Maniobrabilidad dentro de un lago
50 --- ---
Prueba a través de rocas --- --- 50
Duración 400 400 400
Total 1000 1000 1000
1.4.1 PRUEBAS ESTÁTICAS DE LAS CARRERAS MINI BAJA
1.4.1.1 REPORTE DE DISEÑO Y SEGURIDAD
El reporte de diseño debe explicar claramente el proceso de diseño que se utilizó para obtener el producto, los cuales pueden ser análisis de esfuerzos, pruebas, cálculos, planos, parámetros de diseño, etc., así como una pequeña inspección por parte de un jurado especializado en diseño automotriz.
1.4.1.2 PRESENTACIÓN DE VENTAS
Esta prueba, lo que intenta evaluar es la habilidad del equipo para hacer una presentación de venta del producto a un posible comprador. Los jueces evaluarán la organización, contenido y presentación técnica del trabajo.
1.4.1.3 REPORTE DE COSTOS
Este reporte se trata de los costos de manufactura que se tienen para producir 4000 unidades por año, en el cual, el costo por unidad debe ser menor a 3000 dólares o menos, los principales parámetros que se cotizan son: el costo del material, piezas compradas, costo de mano de obra, costos generales, etc.
1.4.2 PRUEBAS DINÁMICAS
Los eventos dinámicos son considerados como la prueba de fuego para el diseño del vehículo. Las cuatro pruebas dinámicas están diseñadas para poner a prueba el desempeño total de la unidad en campo traviesa.
1.4.2.1 PRUEBA DE SEGURIDAD
En esta prueba, se revisan todos los puntos de seguridad que son mencionados en el reglamento, los cuales se tienen que cumplir para dar las mínimas condiciones de seguridad con las que debe de contar el carro, estas se describen en el anexo [A].
Figura. 1.9. Prueba de Seguridad.
1.4.2.2 PRUEBA DE FRENADO
La intención de esta prueba es más de seguridad y no tiene un puntaje, se realiza en un terreno plano, el cual cuenta con partes, la primera es una distancia de 20 metros la cual se recorre a gran velocidad para después pasar a frenar en una distancia de 10 metros sin rebasar la misma.
1.4.2.3 PRUEBA DE ACELERACIÓN
La intención de la prueba es de recorrer cierta distancia en el menor tiempo, el evento se realiza dos veces y se toma el mejor de los dos tiempos, el terreno en el que se realiza es plano, el cual es parte de la pista de competencia de duración.
Figura. 1.11. Prueba de Aceleración
1.4.2.4 PRUEBA DE MANIOBRABILIDAD
1.4.2.5 PRUEBA DE SUBIDA DE PENDIENTE
Esta prueba es para ver cual es la más baja velocidad de potencia. Se realiza sobre terreno inclinado y flojo, se permiten dos oportunidades por carro. El carro comienza parado al pie de la pendiente y deberá superarla automáticamente, avanzando la mayor cantidad de metros posibles en el menor tiempo.
Figura. 1.13. Prueba de Pendiente
1.4.2.6 PRUEBA A TRAVÉS DE ROCAS(ROCK CROWLING)
Esta prueba es nueva y el concepto que adopta es muy interesante ya que como se trata de autos todo terreno, la idea es poder demostrar que no sólo es a todo terreno sino que es resistente y tiene cualidades para superar obstáculos pasando por un camino lleno de rocas, que ponen a prueba no sólo el desempeño de los autos, sino también la destreza del piloto, dando una demostración de coraje, habilidad y buen desempeño.
1.4.2.7 PRUEBA DE DURACIÓN
La duración de la carrera es de 4 horas y se califica por el número de vueltas completadas por ese periodo. El camino puede incluir curvas arenosas, pendientes arenosas, rocas, polvo, hoyos, vueltas cerradas, lodo, etc. El orden de salida es determinado por la calificación de la prueba de aceleración. Antes del comienzo de la prueba los pilotos pueden realizar una vuelta de reconocimiento.
1.4.3 RESULTADOS DE COMPETENCIAS ANTERIORES
En la siguiente tabla 1.3 se presentan los resultados de las competencias que se han realizado desde 1976, así como los ganadores. Es importante el análisis de esta tabla ya que se puede ver que universidades han sido las mejores. Cabe mencionar que desde el 1976 hay cuatro competencias ganadas por universidades mexicanas las cuales son; La Salle y el Tec. De Chihuahua. Los ganadores de los años más recientes que no aparecen en la tabla son: 2001 no hay dato, 2002 University of Michigan-Dearborn, 2003 Brigham Young University.
Tabla. 1.3. Resultados de ganadores de los últimos años de la competencia Mini Baja Oeste [1.2].
HISTORIA DE GANADORES
MINI BAJA OESTE
1.5 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS AUTOS SAE- MINI BAJA
1.5.1 UNIDADES MINI-BAJA
Las unidades "SAE Mini-Baja" es un proyecto que pone aprueba los conocimientos de ingeniería, dinámica vehicular, manufactura y administración, adquiridos en la universidad, con los componentes reales de un proyecto industrial, teniendo como meta una interacción estrecha con la industria automotriz y sus afines, también tendrán oportunidad de poder competir con otros equipos tanto nacionales como internacionales. El diseño del prototipo corre a cargo de los alumnos y su realización será la base de su proyecto de grado.
1.5.2 DESCRIPCIÓN DEL VEHÍCULO SAE
1.5.2.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES
Aquí se presenta una descripción muy general en cuanto a medidas, peso y tipo de vehículo.
• Tipo de vehículo: Todo terreno
• Largo: 243.84 cm. (96 pulg.) incluyendo llantas. • Ancho: 152.4 cm. (60 pulg.) incluyendo llantas. • Alto: 172.72 cm. (68 pulg.) desde el piso. • Peso total = de 200 a 400 Kg.
1.5.2.2 CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS
Estas características son con las que la mayoría de los vehículos Mini Baja cuenta.
• Plazas: 1 (una)
• Motor: De 4 tiempos (a gasolina) Briggs & Stratton de 10 Hp OHV Intake modelo 205432 tipo 0036-e1
• Materiales: Estructura de tubo de acero al carbón AISI 1018. (soldados), con diámetro exterior: 25.4 cm. (1 pulg.) y espesor de pared: 2.1082 mm (0.083 pulg.)
• Suspensión: Independiente o no, en las cuatro ruedas.
• Transmisión: Transmisión continua variable (CVT) y transmisión por cadena, engranes o catarina.
• Freno: de 1 a 2 frenos de disco en las ruedas traseras. • Número de llantas: 4 (cuatro)
• Tamaño de llantas: desde, 20 x 10 x 8 pulg. hasta 25 x 11 x 10. • Batería: 1 batería de Gel sellada de 12 V. 7 A.
• Costo del vehículo: $ 3, 000.00 dlls.
operación. Al eje que lleva la relación fija van conectados dos semiejes flexibles que permiten la transmisión de potencia y el movimiento de la suspensión independiente en la parte trasera y delantera del vehículo. Finalmente, el torque del motor multiplicado por las relaciones, se convierte en fuerza de tracción por medio de las llantas, tienen un sistema de dirección que permite maniobrar con facilidad y frenos capaces de bloquear por lo menos dos ruedas.
1.5.3 FRENOS
El sistema de frenos es uno de los más importantes del vehículo y tiene una función principal de seguridad. Con los frenos se disminuye la velocidad del vehículo o incluso se detiene en función de las necesidades marcadas por el conductor. En otras palabras debe conseguir que el vehículo se detenga en la mínima distancia posible, sin necesitar para ello grandes esfuerzos del conductor. Normalmente, el sistema de frenos absorbe energía por medio de rozamiento y la transforma en calor. En el caso de las unidades mini baja, el tipo de freno más común es el de disco, ya sea en el eje o en las ruedas, dándole ligereza y eficiencia.
1.5.4 SUSPENSIÓN
La suspensión comprende el conjunto de órganos mecánicos que unen los elementos de rodadura con la carrocería del vehículo.
Debido a las irregularidades del camino las ruedas de un vehículo poseen siempre un movimiento vertical que, a una velocidad media, se sucede en espacios muy cortos de tiempo, produciéndose aceleraciones verticales en las ruedas que pueden ser múltiplo de la aceleración de la gravedad. Para evitar las consecuencias de esta situación, que compromete notablemente la confortabilidad y la estabilidad del vehículo, se acoplan entre el bastidor y las ruedas, elementos de elasticidad que permiten transformar los golpes que produce el pavimento sobre las ruedas en oscilaciones.
Por lo tanto, las funciones fundamentales de un sistema de suspensión son:
¾ Dar estabilidad al vehículo controlando las principales acciones que se ejercen sobre de él, como fuerzas centrífugas, esfuerzos de aceleración y frenada, acción del viento, fluctuaciones del terreno y efectos de la dirección,
otorgándoles a las ruedas una adherencia continua.
¾ Mantener un alto nivel de confort para los ocupantes, reduciendo en lo posible los movimientos del vehículo.
Todos los sistemas de suspensión de automóviles provienen del intento de la ingeniería para satisfacer los siguientes requisitos, no siendo alguno más importante que otro, sino aportando todos alguna característica del compromiso final deseado. En un sistema de suspensión se distinguen siempre dos elementos, el mecanismo geométrico y el conjunto amortiguador - resorte. Por ello, es posible identificar su aporte particular al vehículo. Su función es la de garantizar que el recorrido de la suspensión (compresión /extensión) afecte de la manera necesaria la posición de cada llanta en un espacio tridimensional, esto es, en 6 grados de libertad. Esto quiere decir que sea cual sea el mecanismo escogido, ha de ser diseñado considerando su efecto en el “camber, caster, convergencia, ángulo de Kingpin y radio de slip”. A su vez, siendo la suspensión un elemento dinámico, es la encargada de transmitir las fuerzas ejercidas por el pavimento sobre el vehículo, permitiendo al diseñador tomar decisiones sobre la orientación de dichas fuerzas, sea a través de los amortiguadores (recorrido de suspensión) o a través de los mecanismos. Es con este criterio, que se puede evitar que un auto tenga la tendencia a clavarse en una frenada o a levantarse en un fuerte arrancón. De una forma general, es el mecanismo el encargado de determinar el comportamiento de las llantas sobre el suelo, entendiendo por comportamiento, las fuerzas desarrolladas por las mismas (desempeño) y su duración.
1.5.5 TRANSMISIÓN
En los vehículos de combustión interna, el motor y la transmisión son el conjunto de elementos mecánicos capaces de convertir en energía mecánica la energía química obtenida de los combustibles. El motor y la transmisión serán dispositivos básicos para el comportamiento final del vehículo, siendo los elementos generadores del par requerido para su desplazamiento.
1.5.6 DIRECCIÓN
En los automóviles, el conductor debe seleccionar el ángulo del volante para mantener baja la desviación del curso deseado, al igual que debe ajustar continuamente la relación entre girar el volante y la dirección en la que viaja el auto. Para poder hacer esto, el conductor recibe una cantidad considerable de información a través de sus ojos, sus manos y su cuerpo, que le dirán cuál es el siguiente movimiento que debe hacer o simplemente le dan confianza y seguridad en lo que está haciendo. Entonces, el trabajo del sistema de dirección es el de convertir el ángulo del volante, en lo posible, en una clara relación con el ángulo de dirección de las ruedas; además debe dar una retroalimentación acerca del estado de movimiento del vehículo a través de la columna de dirección y el volante.
1.5.7 CHASIS
El chasis es el más importante en este trabajo ya que será diseñado, analizado y construido, es por eso que tomaremos muy en cuenta todas las características que nos ayuden a su elaboración. Para el diseño y construcción del chasis (figura 1.17), la prioridad número uno será obtener un diseño en el que prive la seguridad pasiva y activa de los ocupantes. Para lograrlo, se trabajará en dos frentes: Primero, obtención de una estructura que resista los impactos más severos y garantice la protección total al conductor y segundo, obtención de una estructura en la cual se logre una distribución de pesos ideal, tanto de ella misma como de los componentes que ella soporta, para así lograr un comportamiento dinámico excelente. El peso juega un papel importante en el diseño de un Mini-Baja: cumpliendo todos los requisitos de seguridad, será el menor al que se pueda llegar.
Figura. 1.17. Diseño preliminar del chasis trabajado en Autocad 2000
Figura. 1.18. Preliminar del chasis analizado en Algor
1.6 POSIBLES USOS DE LOS AUTOS MINI BAJA EN MÉXICO
En la actualidad se presentan muchas necesidades de transporte terrestre, en especial para aquellos lugares que carezcan de espacio, que sean cerrados, limpios, etc. Las empresas armadores de automóviles no atienden este mercado y la demanda crece cada día más. La necesidad de poder dar solución a este tipo de demandas es lo que hace que se puedan proponer diseños que no requieran de gran tecnología o de grandes empresas internacionales. Así, es posible que este trabajo contribuya a dar una de las soluciones a dichas demandas. Tomando en cuenta que las condiciones de México son muy diferentes a las de otros países, en los cuales se hacen los diseños de los vehículos existentes, es de gran utilidad que trabajos como estos, ayuden a satisfacer las necesidades de una manera más directa, adecuada y concreta.
1.7 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Anteriormente, se ha mencionado que en nuestro país se vive una problemática muy grande, la cual, es la falta del desarrollo tecnológico y que esto orilla como nación a poder aspirar a ser un país que solo maquile y que compre tecnología a los países desarrollados, condenándonos a ser dependientes del exterior y no teniendo la capacidad de sobresalir y brindar una mejor calidad de vida a toda la población. Es por eso que es muy importante, el que en universidades e institutos se apoye la investigación y la formación de capital humano, el cual desarrolle dicha tecnología utilizando las herramientas más poderosas para poder estar al nivel de otros países, tal es el caso de estudio, en el cual es necesario utilizar técnicas de diseño, paquetes de Elemento Finito, modeladores de 3D y simuladores de mecanismos, los cuales son los empleados por las industrias automotrices con el fin de desarrollar vehículos. En base a lo anterior podemos decir que el desarrollo de nuevos productos puede ser la clave para empezar a desarrollar nuevas tecnologías y poder vender al exterior lo que aquí como nación desarrollamos y obtener divisas para un mejor desarrollo del país.
El problema en cuestión, trata del diseño, análisis y construcción de un chasis para un auto todo terreno Mini Baja (GAP). Dicho trabajo, forma parte de la construcción de un auto Mini Baja y que comprende el diseño del sistema de suspensión, dirección, frenado, transmisión, etc., el cual competirá en tres carreras nacionales y una internacional, el objetivo general del proyecto es, desarrollar un nuevo producto sin tener nada, hasta su prototipo y evaluación del mismo, utilizando las mejores herramientas de cómputo para el diseño.
Se tiene que cumplir con ciertas reglas de diseño ya que el automóvil se ubica dentro de una categoría de competencia. Este trabajo, está enfocado al diseño, análisis estructural y optimización de dicho chasis y construir el automóvil en menos de 12 meses, contando con planos, especificaciones para su manufactura, reporte de costos y obtención del prototipo listo para competir.
Para el chasis en estudio, se desea saber cómo es la distribución de los esfuerzos a los que está sometida dicha estructura, y optimizarla. Para ello, se efectúa el análisis de esfuerzos del chasis actual propuesto, utilizando el Método del Elemento Finito, auxiliándose de el programa ANSYS 6.1.
1.8 REFERENCIAS
[1.1] José Front Mezquita, Tratado Sobre Automóviles Tomo 1 Ed. Alfaomega, 2000.
[1.2] Internet, Sae Internacional, www.sae.org
[1.3] Reglamento Mini Baja 2003
[1.4]Revista Automóvil, Edición Especial “Todo Terreno”, Enero de 2003
![Figura. 2.34. Proceso de análisis[2.13].](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4977323.76015/85.595.90.484.379.704/figura-proceso-de-analisis.webp)
