UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LOS MECANISMOS
(FRENOS, DIRECCIÓN Y SUSPENSIÓN) PARA UN
VEHÍCULO TIPO POLARIS ARENERO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
WILSON DARIO LINCANGO SIMBAÑA
DIRECTOR: ING. MILTON REVELO
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1717747214
APELLIDO Y NOMBRES: LINCANGO SIMBAÑA WILSON DARIO
DIRECCIÓN: CALDERON – CALLE CARAPUNGO LT 23
EMAIL: darolin10hotmail.com
TELÉFONO FIJO: 022 823456
TELÉFONO MÓVIL: 0987752045
DATOS DE LA OBRA TÍTULO:
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LOS MECANISMOS (FRENOS, DIRECCIÓN Y SUSPENSIÓN) PARA UN VEHÍCULO TIPO
POLARIS ARENERO
AUTOR O AUTORES: LINCANGO SIMBAÑA WILSON DARIO
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
ENERO 2018
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
ING. MILTON REVELO
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TÍTULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ
RESUMEN: El presente proyecto tuvo como
finalidad el diseñar e implementar los mecanismos (frenos, dirección y suspensión) a un vehículo tipo Yamaha Rhino 700 ,el objetivo de diseñar los mecanismos e implementarlos fue la realización de un proyecto que contemple todos las medidas ,reglas para este tipo de vehículos y así poder utilizar el vehículo en cualquier tipo de terreno que cumpla con parámetros de diseño, mediante la inclusión de un programa de diseño actualizado, se lo plasmó mediante el uso del software Solidworks donde se realizaron los diseños de los mecanismo que fueron implementados, mediante el análisis
PALABRAS CLAVES: Diseño, Implementación,
Mecanismos, Polaris, Solidworks, software.
ABSTRACT: The objective of this project was the
determining that the vehicle can withstand a strong swing. In the design of the steering mechanism we chose design parameters that have already been completed with the speed of 72 ° there was a displacement of 96.32 mm and in another case a turn of 85 ° the displacement was 112.45 mm this values favor the values of allocation of charges in the direction.
KEYWORDS Design, Implementation,
Mechanisms, Polaris, SolidWorks, software.
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
F: __________________________________________
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, LINCANGO SIMBAÑA WILSON DARIO, CI 1717747214 autor/a del proyecto titulado: Diseño e implementación de los mecanismos (frenos, dirección y suspensión) para un vehículo tipo Polaris arenero, previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, Enero 2018
F: _________________________ LINCANGO SIMBAÑA WILSON DARIO
DECLARACIÓN
Yo, LINCANGO SIMBAÑA WILSON DARIO declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
__________________________ LINCANGO SIMBAÑA WILSON DARIO
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e Implementación de los mecanismos (frenos, dirección y suspensión) para un vehículo tipo Polaris arenero”, que, para aspirar al título de INGENIERO AUTOMOTRIZ fue desarrollado por LINCANGO SIMBAÑA WILSON DARIO, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
___________________ Ing. Milton Revelo
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Este trabajo de investigación con el cual finalizó mis estudios superiores quiero dedicarlo a Dios, porque él me ha brindado la fuerza y la energía necesaria, al igual lo dedico a mis padres PEDRO y CAROLINA por el apoyo incondicional brindado quienes me han sabido aconsejar, guiar y apoyarme durante esta etapa de mi vida.
A mi esposa CAROLINA TASINTUÑA en especial por creer en mí para poder lograr el objetivo propuesto inicialmente, a mis amigos y demás familiares quienes siempre me brindaron su apoyo y su motivación, y jamás dejaron de incentivarme a seguir adelante logrando terminar mi formación profesional.
A mis docentes por el conocimiento que compartieron durante mi proceso de enseñanza, donde siempre fortalecieron el mismo y lograron en mí que cada día aprenda más para llegar a ser un buen profesional.
AGRADECIMIENTO
A Dios, por haberme dado la vida que es lo más hermoso, y por darme la oportunidad de concluir esta meta.
A mi madre Carolina, la Única persona que creyó y que nunca dudo que alcanzará una de mis metas. Por ser una mujer admirable ya que a pesar de las adversidades de la vida logro sacarnos adelante a mí y a mi familia. Realmente estoy orgulloso de ti.
A mi padre Pedro, con respeto y cariño, ya que ha sabido salir adelante, traspasando obstáculos sin rendirse ante nada ni ante nadie. Espero no defraudarte.
A mi esposa Carolina Tasintuña, por su ayuda desinteresada y por el apoyo que me ha brindado en los momentos difíciles que tuve durante mis estudios y la realización de mi tesis. Por todo el apoyo físico y moral que me ha brindado para poder lograr una de mis metas.
Te deseo que seas feliz y que igualmente logres las tuyas.
Al ingeniero Milton Revelo, por haber creído en mi capacidad y haber sido una gran ayuda en mi formación profesional.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCION 3
2. METODOLOGÍA 7
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 8
3.1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN MECANISMO DE FRENOS AL CHASIS VEHÍCULO TIPO POLARIS ARENERO. 8
3.1.1 PARÁMETROS DE DISEÑO. 8 3.1.2 SELECCIÓN Y TIPO DE FRENOS. 8 3.1.3 DETERMINACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL
MECANISMO DE FRENOS. 9
3.1.4 CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DE LOS MECANISMO DE FRENOS. 10 Distribución de pesos del vehículo. 10 Causas sobre el vehículo a causa de la desaceleración. 11 Fuerza sobre los Neumáticos. 12 Cálculo del balance óptimo de la frenada. 13 Cálculo del par de frenado disco – pastilla. 14 Fuerza en el pedal de freno y repartidor de frenada. 15 Distancia de frenado. 16 3.1.5 DISEÑO DEL MECANISMO DE FRENOS EN EL
PROGRAMA SOLIDWORKS. 16
3.1.6 IMPLEMENTACION DEL MECANISMO DE FRENOS. 18 3.2 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN MECANISMO DE
SUSPENSION. 19
3.2.1 PARÁMETROS DE DISEÑO. 19 3.2.2 SELECCIÓN DEL MECANISMO DE SUSPENSIÓN. 19 3.2.3 CÁLCULOS DEL MECANISMO DE SUSPENSIÓN. 20 Cálculo del ángulo de balanceo 20 Constante elástica conjunto muelle amortiguador. 20 Límite de velocidad de vuelco. 20
Batalla o trocha. 20
Masas suspendidas delanteras y traseras. 21 Masa suspendida en el eje delantero 21 Masa suspendida en el eje posterior. 21 3.2.4 CÁLCULOS PARA LA SUSPENSIÓN DELANTERA 22
Constantes del espiral. 22 3.2.5 DISEÑO DEL MECANISMO DE SUSPENSIÓN EN EL
PROGRAMA SOLIDWORKS. 22
3.2.6. SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DEL MECANISMO DE
3.2.7 IMPLEMENTACIÓN DE LOS COMPONENTE DEL
MECANISMO DE SUSPENSIÓN. 25
3.2.7.1 Neumático. 25
3.2.7.2 Mangueta 26
3.2.7.3 Conjunto muelle amortiguador 27 3.3. DISEÑO E IMPLEMETACIÓN DEL MECANISMO DE
DIRECCIÓN. 28
3.3.1 PARÁMETROS DE DISEÑO. 28
3.3.2 SELECCIÓN DEL MECANISMO DE DIRECCIÓN. 28 3.3.3 CÁLCULOS Y ASIGANCIÓN DE CARGAS DE LA
DIRECCIÓN. 28
3.3.4 DISEÑO DE MECANISMO DE DIRECCIÓN EN EL
PROGRAMA SOLIDWORK. 28 3.3.5 SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DEL MECANISMO DE
DIRECCIÓN MEDIANTE EL PROGRAMA
COSMOSMOTION. 30
3.3.6 IMPLEMENTACIÓN DEL MECANISMO DE DIRECCIÓN. 31
3.3.6.1 Determinación de componentes del mecanismo de
dirección. 31
3.3.6.2 Volante. 31
3.3.6.3 Columna de dirección. 31 3.3.6.4 Unión universal. 32 3.3.6.5 Caja de dirección. 32
3.3.6.6 Rotulas. 33
3.3.6.7 Palanca de las manguetas. 33
3.3.6.8 Manguetas 34
3.4 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO 34 3.4.1 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL MECANISMO
DE SUSPENSIÓN. 34 3.4.2 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL MECANISMO
DE FRENOS. 35 3.4.3 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL MECANISMO
DE DIRECCIÓN. 35
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 36
4.1 CONCLUSIONES 36
4.2 RECOMENDACIONES 37
5. BIBLIOGRAFÍA 38
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Parámetros de cálculos para el mecanismo de frenos. 14
Tabla 2. Desplazamiento del pistón del caliper 18
Tabla 3. Ventajas y desventajas frenos. 18
Tabla 4. Características del neumático Yamaha Rhino 700. 26
Tabla 5. Coeficiente de adherencia según carretera y neumático. 26
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Despiece mecanismo de frenos Yamaha Rhino 700 . 8
Figura 2. Frenos Yamaha Rhino 700. 9
Figura 3. Mecanismos despiece completo Yamaha Rhino 700 . 9
Figura 4. Disco de freno. 16
Figura 5. Caliper 16
Figura 6. Pastilla de freno 16
Figura 7. Cañería 17
Figura 8. Mecanismo de freno 17
Figura 9. Desplazamiento del pistón 17
Figura 10. Suspensión del vehículo monoturbo. 19
Figura 11. Amortiguador. 22
Figura 12. Neumático 23
Figura 13. Modelo final de la suspensión. 23
Figura 14.Altura de la carrocería al piso 24
Figura 15. Desplazamiento del amortiguador delantero. 24
Figura 16.Desplazamiento del amortiguador posterior. 25
Figura 17. Neumático Yamaha Rhino 700. 25
Figura 18. Mangueta Rhino 700. 27
Figura 19. Amortiguador Yamaha Rhino 700. 27
Figura 20. Cremallera 29
Figura 21. Tornillo sin fin y columna de dirección. 29
Figura 22. Volante. 29
Figura 23. Mecanismo de dirección. 30
Figura 24. Grafica de giro del volante 30
Figura 25. Volante deportivo 31
Figura 26. Conjunto volante columna, junta universal Yamaha
Rhino 700 FI. 32
Figura 27. Unión universal Yamaha Rhino 700FI. 32
Figura 28. Cremallera Yamaha Rhino 700 FI. 33
Figura 29. Palanca de mangueta Yamaha Rhino 700 FI. 33
ÍNDICE DE ANEXO
PÁGINA ANEXO 1. Vehículo Yamaha Rhino 700. Vista frontal. 40
ANEXO 2. Vehículo Yamaha Rhino 700. Vista lateral. 41
ANEXO 3. Despiece del mecanismo de frenos del vehículo tipo Polaris
arenero. 42
ANEXO 4. Despiece del mecanismo de suspensión del vehículo tipo
Polaris arenero. 43
ANEXO 5. Despiece del mecanismo de dirección del vehículo tipo Polaris
arenero. 44
ANEXO 6. Especificaciones del Yamaha 700. 45
ANEXO 7. Planos de diseño del disco de frenos. 46
ANEXO 8. Planos de diseño del amortiguador monotubo. 47
ANEXO 9. Planos de diseño de la manzana. 48
Anexo 10. Diseño del mecanismo de frenos del vehículo
Yamaha Rhino 700. 49
Anexo 11. Diseño del mecanismo de suspensión del vehículo
Yamaha Rhino 700. 50
Anexo 12. Diseño del mecanismo de dirección del vehículo
Yamaha Rhino 700. 51
1
RESUMEN
El presente proyecto tuvo como finalidad el diseñar e implementar los mecanismos (frenos, dirección y suspensión) a un vehículo tipo Yamaha Rhino 700 ,el objetivo de diseñar los mecanismos e implementarlos fue la realización de un proyecto que contemple todos las medidas ,reglas para este tipo de vehículos y así poder utilizar el vehículo en cualquier tipo de terreno que cumpla con parámetros de diseño, mediante la inclusión de un programa de diseño actualizado, se lo plasmó mediante el uso del software Solidworks donde se realizaron los diseños de los mecanismo que fueron implementados, mediante el análisis de los datos y mediciones de los distintos mecanismos se efectuaron los cálculos y pruebas, que dieron como resultado que los mecanismos se encuentren diseñados correctamente y a su vez implementarlos de manera óptima facilitando la operación del vehículo de un modo adecuado. Para lo cual los parámetros de diseño en el mecanismo de frenos obtenidos por el análisis fue, que el líquido de frenos utilizado por las altas propiedades de disipación de calor es el DOT4 ,además la distribución de pesos en el eje delantero es 44,25% y en el eje trasero de 55,75%, se determinó que las distancias del centro de gravedad se hallaron en un rango optimo, comprobando las causas sobre el vehículo a consecuencia de la desaceleración se indicó que la transferencia del peso es de 1135 N con esta transferencia se analizó el balance optimo del mecanismo de frenos. En el diseño del mecanismo de suspensión los parámetros fueron espacio disponible en la carrocería, altura del chasis al piso 1385 mm, selección de los componentes del mecanismo en este caso fue una suspensión McPherson monotubo tipo wishbone de 5 precargas con un límite de carga de 181 kg y capacidad de remolque de 545kg dando como resultado 0, determinando que el vehículo puede soportar un balanceo fuerte. En el diseño del mecanismo de dirección se optó parámetros de diseño adecuados ya que la dirección cumplió con estabilidad en altas revoluciones resultado que en un giro de 72° existió un desplazamiento de 96,32mm y en otro caso un giro de 85° el desplazamiento fue 112,45mm esto valores favorecen los valores de asignación de cargas en la dirección.
2
ABSTRACT
The objective of this project was the design and implementation of mechanisms, steering and suspension, a Yamaha Rhino 700, the objective of designing the mechanisms and implementing the compliance of a project that contains all the measures, rules for this type of vehicles and so that the vehicle can be used in any type of terrain with design parameters, through the inclusion of an updated design program, it can be used through the Solidworks software where the designs of the mechanisms that were implemented were made, through the analysis of the data and the tests, which resulted in the mechanisms being installed correctly and, at the time, implemented the optimal way to facilitate the operation of the vehicle in an adequate manner. For which the design parameters in the brake mechanism obtained by the analysis was, that the liquid of the animals used for the properties of heat dissipation is the DOT4, in addition to the weight distribution in the front axle is 44 , 25% and in the rear axle of 55.75%, it was determined that the distances of the center of gravity were in an optimum range, checking the causes on the vehicle a consequence of the deceleration that indicated that the transfer of the weight is of 1135 N with this transfer the optimum balance of the braking mechanism was analyzed. In the design of the suspension mechanism The parameters were available space in the body, height of the chassis to the floor 1385 mm, selection of the components of the mechanism in this case was a McPherson suspension monotube type of 5 preloads with a load limit of 181 kg and towing capacity of 545kg resulting in 0, determining that the vehicle can withstand a strong swing. In the design of the steering mechanism we chose design parameters that have already been completed with the speed of 72 ° there was a displacement of 96.32 mm and in another case a turn of 85 ° the displacement was 112.45 mm this values favor the values of allocation of charges in the direction.
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1. INTRODUCCIÓN
En Ecuador la red vial de tercer orden es de mala calidad, lo que dificulta el paso a lugares donde no se puede acceder con un vehículo normal, debido a estos problemas se debe utilizar vehículos tipo Polaris con mecanismo de (frenos, dirección y suspensión) adecuados .Para el diseño e implementación de los mecanismos (frenos, dirección y suspensión)para un vehículo tipo Polaris arenero; se tienen algunos problemas principalmente es la determinación de los componentes de cada mecanismo y que estos sean adecuados para poder montar en el chasis, debido a las dimensiones, peso, tamaño y características mecánicas que tiene cada mecanismo , para lo cual se debe tener en consideración que son componentes diseñados por medio de programa solidworks que se implementaran y se desconoce el peso que pueda resistir el chasis, así como las adaptaciones necesarias que se deben realizar para la ubicación y fijación de cada componente, de igual manera existen problemas con el diseño ya que las mediciones deben ser exactas para poder realizar una correcta ubicación dependiendo del espacio que se disponga en el chasis, con respecto al montaje de los mecanismos se debe tener en cuenta que el chasis al cual se va a implementar cada componente no contenga ninguna deformación y las adaptaciones necesarias deberán ser realizadas de una manera técnica lo cual evitara problemas o fisuras al momento de realizar las pruebas ,simulaciones y puesta en marcha.
La realización de este proyecto tuvo como finalidad diseñar e implementar los mecanismos (frenos, dirección y suspensión), esto se realizó de una manera técnica y optima ya que el vehículo debe poseer los mecanismos en su total funcionabilidad ya que facilitara la movilización, brinda confort y seguridad en lugares de difícil acceso ya sean en montañas o caminos de tercer orden donde es muy complicado acceder con otro tipo de vehículo, con esto pudiendo ayudar en transporte de carga y rescate.
Como objetivo general se planteó:
Diseñar e implementar los mecanismos (frenos, dirección y suspensión) en un vehículo tipo Polaris arenero.
Como objetivos específicos se plantearon:
Analizar el estado de arte en función a sistemas de seguridad activa con temas afines en libros, manuales técnicos, tesis y artículos.
Diseñar los mecanismos de adaptación para los frenos, dirección y suspensión.
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La finalidad de este proyecto es diseñar e implementar los mecanismos (frenos, dirección y suspensión) así como de entender y explicar el funcionamiento de los mecanismos de este tipo de vehículo.
Para esto se debe tomar en cuenta varios conceptos para poder desarrollar correctamente este proyecto los que se detallan a continuación.
Actualmente no se cuenta con la información detalla de la construcción de este tipo de vehículos, pero con la investigación en varios sitios de exploración web y tesis desarrolladas, se concluyó que para obtener un vehículo UTV (Utility Task Vehicle) o tipo Polaris Arenero se altera un ATV (All Terrain Vehicle) o un cuatrimotor adicionando una carrocería de fibra de vidrio, asientos de competición y una estructura o jaula de tubos soldados. Este tipo de vehículos son procedentes de Estados Unidos, los cuadriciclos Polaris y tienen una buena fama en el mercado local, además tienen un valor adquisitivo bastante alto y existen varias compañías comerciales que ofrecen este tipo de vehículo, entre ellas se encuentran Yamaha, Polaris, etc. (UTV, 2014, pág. 2)
El equipo de frenos está compuesto por cuatro discos, uno por cada rueda (antes el eje trasero contaba con un solo disco central, que se mantiene, pero solo como freno de estacionamiento). Las suspensiones, independientes a las cuatro ruedas, están ahora más protegidas, mientras que la sección trasera del chasis es ahora desmontable para poder acceder de forma más sencilla a la transmisión CVT, lo que repercute en una mayor facilidad de mantenimiento del mecanismo. (Yamaha, Yamaha Rhino 700, 2008)
Los Vehículos tipo Polaris o UTV (Vehículo Utilitario para Tareas/Trabajo) son derivados de los ATV (Vehículos Todo Terreno), son enfocados principalmente a tareas laborales, pertenece a una categoría llamada “Side by Side” (lado a lado), se encuentran en la categoría entre un cuatrimotor y un todo terreno convencional. Además acomoda dos plazas sentadas una al lado de la otra y una estructura antivuelco. La maniobrabilidad se realiza mediante un volante y el vehículo cuenta con cinturones de seguridad. (Callejas, 2011) La utilización de vehículos UTV, de la marca estadounidense Polaris fue del pasatiempo al ámbito de la competición con mucho éxito. El uso de los UTV originalmente no estaba orientada a las competiciones, pero algunos de sus usuarios, con experiencia en rally, no tardaron en descubrir las ventajas que presentaban para ese fin. A diferencia de los vehículos de serie que se preparan para rally, los UTV incluyen muchos elementos de desempeño y seguridad como equipo de serie, por lo que vienen prácticamente listos para competir. (Yamaha motor, 2008)
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A continuación se detallaran los mecanismos utilizados en este tipo de vehículos llamados Polaris.
La parte más importante del vehículo es el mecanismo de frenos, es el que se encarga de detener el vehículo en el momento exacto que le conductor lo desee, es un amplificador de la fuerza que el usuario aplica sobre el pedal, transmitiéndola a los frenos para detener las ruedas. Inicialmente se utilizaban tambores en la parte delantera pero se sustituyeron por frenos de disco debido a la eficacia, que también se une a la rueda por medio de tornillos. Los discos son detenidos por medio de unas pastillas, que son accionadas por un émbolo y pinza de freno, que se aplican lateralmente contra él deteniendo su giro. Están protegidos y refrigerados, para evitar un calentamiento excesivo de los mismos, el excesivo calentamiento de los frenos disminuye la adherencia del material empleado en las zapatas, al mismo tiempo que dilata el tambor, apareciendo el fenómeno llamado “fading”, que es una pérdida temporal de la eficacia de los frenos, teniendo que enfriarse para volver a la normalidad. (Yamaha motor, 2008)
Los frenos hidráulicos, es el mecanismo que aprovecha la presión de un líquido (presión hidráulica) para empujar las pastillas de freno contra el disco. El mecanismo se encuentra compuesto principalmente por dos componentes: el pedal del freno con un cilindro maestro y el mecanismo de freno de ruedas, además de los tubos o conductos correspondientes y las piezas de sujeción. Al accionar el pedal del freno envía una fuerza a un pistón para que se mueva en el cilindro maestro, aplicando una presión mediante un líquido delante del pistón, creando una presión a través de los conductos de freno hacia los cilindros de ruedas. Una vez que el líquido es forzado contra los cilindro de rueda, los dos pistones que tiene cada cilindro, son empujados hacia las pastillas de freno, deteniendo el vehículo. (J.Poolos, 2008)
El mecanismo de suspensión para los vehículo tipo Polaris están compuestos por una suspensión Mac Pherson este sistema tiene por finalidad suspender y absorber los movimientos bruscos que se producirían en la carrocería, por efecto de las irregularidades que presenta el camino, proporcionando una marcha suave, estable y seguro. Para lograr dicha finalidad estos componentes deben ir entre el bastidor (o carrocería) y los ejes donde van las ruedas. (Calleja, 2015)
La dirección asistida es un sistema mediante el que se reduce la fuerza (par de giro) que ha de efectuar el conductor sobre el volante de un coche para accionar la dirección. Los tipos de dirección asistida son: piñón y cremallera, y tornillo sin fin.
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conductor más la que aplica la dirección serán iguales a la fuerza de auto alineamiento de la rueda. La fuerza de auto alineamiento o resistencia que haga la rueda dependerá del vehículo y la velocidad. A menor velocidad mayor resistencia. Una de las ventajas que aportan las direcciones electro-hidráulicas o eléctricas, es que al estar controladas electrónicamente se puede generar una asistencia variable en función de la velocidad. De esta forma se hace la conducción más cómoda, a velocidades bajas se necesitan pares mayores para girar las ruedas, si la dirección genera más asistencia, el conductor debe aplicar menos fuerza sobre el volante, lo que resulta en un esfuerzo menor por parte del conductor. Por el contrario a velocidades mayores donde el par a aplicar es pequeño, la dirección apenas ayudará al conductor y será éste el que deba hacer el esfuerzo. (GABRIEL, MESIAS IZURIETA , & CRUZ CASTRO , 2013)
7
2. METODOLOGÍA
En este capítulo se describe cada uno de los métodos utilizados de investigación y actividades que se realizó en este proyecto. Permitiendo comprender de una mejor manera.
En el diseño e implementación de los mecanismos (frenos, dirección y suspensión) para un vehículo tipo Polaris arenero, se seleccionó material que direccione el avance y desarrollo del mismo, este se ejecutará de la siguiente manera.
Se inició aplicando el método investigativo recopilando toda la información necesaria referente a temas afines de mecanismos de un vehículo tipo Polaris arenero aplicando el método investigativo buscando en libros, tesis, artículos científicos, y la información otorgada por el director del tema de la universidad. En el diseño de los mecanismos, primero se empezó con la búsqueda de los mejores programas gráficos que existen para realizar pruebas y modelos de las diferentes partes a ser implementadas, se consideró entre dos tipo software que sea fácil de manejarlo y en cual se pudo determinar todos los parámetros necesarios para las piezas, el programa a ser utilizado será Solidworks.
Posteriormente se utilizó el método experimental con el software solidworks para los diseños de las partes utilizando los respectivos parámetros (tamaño, peso y material), además se efectuaron ensayos de resistencia de materiales (mecánico, torsión y saturación), para determinar cuál sería el posible comportamiento en situaciones reales y saber que material es el adecuado para la construcción.
Se procedió a la compra de los mecanismos de frenado, dirección, suspensión y materiales para la construcción de los soportes (tuberías) más adecuados para la construcción del vehículo tipo Polaris, además se construyó los soportes con máquinas dobladoras y con la utilización de suelda TIC.
Se implementaron los soportes mediante pernos y soldadura a la carrocería del vehículo tipo Polaris, a continuación se colocaron todas las partes del mecanismo de frenado (discos, mordazas, tuberías, pastillas, bomba, servomotor, zapatas y liquido), suspensión (McPherson, bases y puntas) y dirección (caja de dirección, bomba, brazos de dirección, puntas y liquido). Una vez colocadas todos los mecanismos, se realizó la respectiva calibración y purgación para un trabajo efectivo.
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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En el presente proyecto tiene como finalidad diseñar e implementar los mecanismos (frenos, suspensión y dirección) en un vehículo tipo Polaris para poder utilizar este vehículo en terrenos de tercer orden y cumpla con las características similares que posee un vehículo Polaris original.
3.1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN MECANISMO DE FRENOS
AL CHASIS VEHÍCULO TIPO POLARIS ARENERO.
3.1.1 PARÁMETROS DE DISEÑO.
Para que una persona sienta confiabilidad al conducir es necesario un mecanismo de frenos que brinde seguridad y reduzca la velocidad en el menor tiempoposible, por cual se presenta los siguientes parámetros.
Se debe tener en cuenta que en el mecanismo de frenos hay superficies en contacto a altas revoluciones que van a generar una excesiva fricción por lo que se deben refrigerar.
Se tiene que utilizar materiales confiables en todo el mecanismo para evitar accidentes por falla de los frenos.
Se recomienda utilizar líquido de freno con altas propiedades de disipación de calor como lo es el DOT 4. (ENDARA ESTÉVEZ & ENRÍQUEZ POZO, 2009)
3.1.2 SELECCIÓN Y TIPO DE FRENOS.
El mecanismo de frenos que se usó en el proyecto después de una selección entre otros frenos es de la Yamaha Rhino 700, en la figura 1 y 2 se puede observar las características técnicas.
9 Figura 2. Frenos Yamaha Rhino 700.
(Yamaha, Manual de reparacion yamaha rhino 700, 2008)
3.1.3 DETERMINACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL MECANISMO DE FRENOS
El mecanismo de frenado está compuesto por varios elementos que influyen en el fenómeno de la frenada que se instalaron en el vehículo tipo Polaris, para obtener una visión de la importancia de cada uno de ellos para adaptarlo de la forma más apropiada posible a nuestras exigencias. El mecanismo de frenado estará compuesto por los siguientes elementos que se irán estudiando a continuación:
En la figura 3 se detallan todas las partes del mecanismo de frenado como son el Pedal de freno, distribuidor de frenada, bomba de freno, conductos del mecanismo hidráulico, pinza de freno, pastillas de freno, disco de freno y neumáticos.
10 3.1.4 CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DE LOS MECANISMOS DE FRENOS
Distribución de pesos del vehículo.
En condiciones de aceleración nula, el vehículo posee una distribución de pesos constante repartidos entre las cuatro ruedas del mismo y con un reparto diferente para cada eje. Siendo el valor de la masa correspondiente a cada eje conocida, con la ecuación 1 se halló el porcentaje de pesos para cada uno de los ejes en estático de la siguiente manera.
Dpd = 𝑃𝑑
𝑝 .100 [1]
Donde:
Dpd es la distribución de peso en el eje delantero
Pd es la fuerza vertical en el eje delantero (peso soportado por el eje delantero).
P es la fuerza vertical en el eje trasero (peso soportado por el ejetrasero). P es la fuerza vertical total del vehículo (peso del vehículo).
Dpd =150
340. 100
Dpd = 44.25%
Una vez conocida la distribución de pesos, se encontró la posición horizontal del centro de gravedad, es la ecuación que está en función de la geometría del vehículo.
Con la ecuación 2, se obtuvo la distancia del centro de gravedad desde el eje delantero.
𝐶𝐺𝑑,𝑥 = 𝑃𝑡
𝑃 . 𝐿 [2]
Donde:
CGd,x es la distancia del centro de gravedad desde el eje delantero. P es la fuerza vertical total del vehículo (peso del vehículo).
L es la distancia entre ejes.
𝐶𝐺𝑑,𝑥=
190 340. 1570
𝐶𝐺𝑑,𝑥= 877𝑚𝑚
Una vez encontrada la distancia del centro de gravedad desde el eje delantero, con la ecuación 3, se debe conseguir la distancia del centro de gravedad desde el eje trasero.
𝐶𝐺𝑡,𝑥=
𝑃𝑑
11 Dónde:
CGt,x es la distancia del centro de gravedad desde el eje trasero. P es la fuerza vertical total del vehículo (peso del vehículo).
L es la distancia entre ejes.
𝐶𝐺𝑡,𝑥 =
150 340. 1570 𝐶𝐺𝑡,𝑥 = 692𝑚𝑚
Encontradas las distancias de gravedad tanto del eje delantero como trasero, se debe cumplir la condición de la ecuación 4, la que se desarrollara a continuación.
𝐶𝐺𝑑,𝑥+ 𝐶𝐺𝑡,𝑥 = 𝐿 [4]
877 + 692 = 1570𝑚𝑚
𝟏𝟓𝟕𝟎𝒎𝒎 = 𝟏𝟓𝟕𝟎𝒎𝒎
Causas sobre el vehículo a causa de la desaceleración.
La fuerza efectiva en cada rueda se ve modificada debido al fenómeno de la desaceleración. Mientras que el peso total del vehículo sigue siendo el mismo, la fuerza ejercida sobre los ejes tanto delanteros como posteriores disminuirá en la misma medida.
Con la ecuación 5, se calculó la trasferencia de carga del eje trasero al delantero de la siguiente manera.
𝑇𝑃 = (𝑎𝑉 𝑔) . (
ℎ
𝐿) . 𝑃 𝐿 [5]
Donde:
TP es la transferencia de peso g es la aceleración de la gravedad
h es la altura del centro de gravedad al suelo.
P es la fuerza vertical total del vehículo (peso del vehículo).
TP =(1.6 G
′s). (9,8m
s2) 9,8s2m .
0.33
1.57. (340 Kg). (9,8 m s2)
TP = 1135.
Una vez obtenida la transferencia, se calculó el peso en los ejes cuando ocurre una desaceleración.
Con la ayuda de la ecuación 6 se obtuvo el peso del eje delantero, la que se detalla a continuación.
12
Donde:
Pd,d es el peso en el eje delantero durante la desaceleración.
Pd es el peso del eje
Pd,d= (150 Kg). (9.8s2m) + 1135 N
Pd,d= 2605 N
Con la ecuación 7 se adquirió el peso del eje delantero, la que se detalla a continuación.
Pt,d= Pt− TP [7]
Donde:
P t,d es el peso en el eje trasero durante la desaceleración.
Pt,d= (190 Kg). (9.8s2m) + 1135 N
Pt,d = 726,6 N
Encontradas los pesos de los ejes tanto delantero como trasero, se debe cumplir la condición de que el peso total tiene que ser el mismo, lo que se comprueba mediante la ecuación 8.
𝑃 = 𝑃𝑑,𝑑 + 𝑃𝑡,𝑑 [8]
2605 𝑁 + 726 𝑁 = 3332 𝑁
3332
9.8𝑚/𝑠2 = 340 𝐾𝑔
Fuerza sobre los neumáticos.
Cuando un vehículo experimenta una transferencia de carga, la capacidad de frenada se ve alterada. Es por esto que se debe calcular la máxima fuerza de frenada, que cada uno de los ejes es capaz de producir por medio de los neumáticos.
Mediante la ecuación 9, se calculó la fuerza de frenado en el eje delantero del vehículo.
𝐹𝑓,𝑑 = 𝜇. 𝑃𝑑 [9]
Donde:
Ff,d es la fuerza de frenado en el eje delantero. Pd es el peso del eje delantero.
µ es el coeficiente de fricción máximo entre los neumáticos y el asfalto.
𝐹𝑓,𝑑 = (1.6). (2605 𝑁)
13
Con la ecuación 10, se obtuvo la fuerza de frenado en el eje trasero del vehículo.
𝐹𝑓,𝑡 = 𝜇. 𝑃𝑡 [10]
Donde:
Ff,t es la fuerza de frenado en el eje trasero. 𝐹𝑓,𝑡= (1.6). (729𝑁)
𝐹𝑓,𝑡 = 1167 N
Analizando los resultados anteriores, se determinó cómo a causa de transferencia de cargas, la capacidad de frenado del eje delantero se incrementa mientras que la del eje trasero disminuye. Se debe recalcar que se utilizó una adherencia constante de 1,6 durante la desaceleración, es decir, se está considerando que se aprovecha la máxima adherencia entre el neumático y el asfalto durante todo el proceso de frenado.
Cálculo del balance óptimo de la frenada.
Para lograr una eficacia del 100%, el cociente entre las fuerzas de frenado de cada eje entre las fuerzas verticales delanteras y traseras respectivamente, tiene que ser el mismo. Mediante la ecuación 11 se calculó si se llegó al equilibrio óptimo de frenado.
𝐹𝑓𝑟𝑒𝑛,𝑑
𝑃𝑑,𝑑 =
𝐹𝑓𝑟𝑒𝑛,𝑡
𝑃𝑡,𝑑 [11]
Donde:
Ffren.d es la fuerza de frenado delantera.
Ffren.t es la fuerza de frenado trasera.
P d d es el peso del eje delantero. P d t es el peso del eje trasero.
4186 𝑁 2605 𝑁=
1167 𝑁 729 𝑁
1.6 = 1.6
14 Cálculo del par de frenado disco – pastilla.
Los componentes del mecanismo de frenado son capaces de generar fuerzas y pares suficientes como para poder disminuir la velocidad del monoplaza hasta llegar a detenerlo. En la tabla 1 se puede observar las características técnicas del vehículo de cada uno de los elementos que componen el mecanismo de frenado.
Tabla 1. Parámetros de cálculos para el mecanismo de frenos.
CARACTERISTICAS VALOR UNIDAD
Masa Delantera 150 Kg
Masa Trasera 190 Kg
Def. Disco D. 0,23 M
Def. Disco T. 0,23 M
Repartidor Pedal 3;1 Repartidor De Frenada 30%
Diámetro Pistón Bomba 0,168 M Diámetro Pistón Pinza ,D 0,0425 Mm Diámetro Pistón Pinza ,T 0,0425 M
Área Pistón Pinza ,D 0,14 m2 Área Pistón Pinza ,T 0,14 m2
Fuerza En El Pedal 200 N
Con los parámetros descritos en la tabla 1 se calcularon, las presiones que se desencadenan a lo largo del mecanismo de frenos hasta alcanzar el disco de freno, provocando de esta manera un par de frenado cuyo valor no debe exceder del máximo esperado entre el contacto neumático-asfalto.
Fuerza en el pedal de freno y repartidor de frenada.
Para que la fuerza ejercida por el conductor al momento de realizar una frenada se amplifique, es necesario el componente llamado pedal de freno de la estática elemental, con la ecuación 12 se pudo comprobar cómo el incremento de la fuerza aplicada por el conductor será igual a esta misma fuerza multiplicada por la relación de pedal.
𝐹𝑠𝑝 = 𝐹𝑒.𝑝.
𝐿2
𝐿1 [12]
Donde:
Fsp es la fuerza ejercida sobre el pedal.
Fep es la fuerza ejercida efectiva pedal.
L2 es la longitud de movimiento del embolo en la bomba L1 es el diámetro del embolo.
𝐹𝑠𝑝 = 200 𝑁 . (
15𝑚𝑚
15
Esta fuerza será repartida equitativamente a cada una de las partes del mecanismo de freno si el repartidor de frenada se encuentra ajustado en la posición de equilibrio. En este proyecto, como se observa en la tabla 1, debido al diseño del mecanismo se posicionó este elemento de tal forma que incremente en un 0,3 la fuerza ejercida sobre el sistema hidráulico delantero. De esta manera con la ecuación 13, se calculó la fuerza a la salida del pedal que irá a la bomba del circuito delantero.
𝐹𝑠,𝑟,𝑓,𝑑 = (1+∝).𝐹𝑆,𝑃
2 [13]
Donde:
Fs,r,f,d es la fuerza a la salida del pedal con el repartidor ajustado hacia la bomba del circuito delantero.
∝ es el coeficiente del repartidor de frenada
𝐹𝑆,𝑃 es la fuerza sobre el pedal.
𝐹𝑠,𝑟,𝑓,𝑑 = (1 + 0,3).600 𝑁 2
𝐹𝑠,𝑟,𝑓,𝑑 = 390 𝑁
Mediante la ecuación 14, se obtuvo la fuerza a la salida del pedal que irá a la bomba del circuito trasero.
𝐹𝑠,𝑟,𝑓,𝑡 = (1+∝).𝐹𝑆,𝑃
2 [14]
Donde:
F s,r,f,t es la fuerza a la salida del pedal con el repartidor ajustado haciala bomba del circuito trasero.
𝐹𝑠,𝑟,𝑓,𝑡 = (1 − 0,3).600 𝑁 2
𝐹𝑠,𝑟,𝑓,𝑡 = 210 𝑁
Distancia de frenado.
La distancia de frenado resulta muy interesante, debido a que se tiene una idea de cómo se comportará el vehículo ante una situación de frenada. Con ello, si se integra la deceleración hallada del vehículo se puede obtener la velocidad del mismo y volviendo a integrar esta última expresión, con la ecuación 15 se puede determinar la distancia de frenada teórica del vehículo suponiendo una velocidad de 100Km/h
𝐷𝑓 =
𝑉𝑣2
2. 𝑎𝑣
16
Donde:
Df es la distancia que recorrería el vehículo hasta ser totalmente detenido. av es la aceleración del vehículo.
Vv es la velocidad lineal del vehículo.
𝐷𝑓 =
27.782
2 ∗ 17.25
𝐷𝑓= 22,36 𝑚
3.1.5 DISEÑO DEL MECANISMO DE FRENOS EN EL PROGRAMA SOLIDWORKS.
El programa solidworks se utilizó para diseñar las partes del mecanismo de frenos como se puede apreciar en las figuras 4, 5,6 y 7; para posteriormente realizar la simulación del funcionamiento de los elementos del mecanismo de frenos.
Figura 4. Disco de freno
Figura 5. Caliper
17 Figura 7. Cañería
En la figura 8 se observa el esquema final del mecanismo de frenos con todos sus partes listas para realizar la simulación de frenado.
Figura 8. Mecanismo de freno
En la simulación se utilizó como parámetro una revolución de 4000 RPM, a los que se somete los discos de frenos, conjuntamente se simuló el desplazamiento del pistón del caliper aplicando, en la figura 9 se puede apreciar la gráfica originada.
18 En la tabla 2, se puede observar con mayor claridad el desplazamiento que ha tenido el pistón en 1 segundo.
Tabla 2. Desplazamiento del pistón del caliper Tiempo (seg) Desplaza. (mm)
0 11,5050187
1 13,5156087
3.1.6 IMPLEMENTACIÓN DEL MECANISMO DE FRENOS.
Los mecanismos de frenos montados en los vehículos tiene un único disco de freno independiente que actúe en cada una de las ruedas delanteras, sin embargo, en cuanto al eje trasero se refiere, empiezan a surgir variaciones, por un lado se examinó por poner un sistema como en el eje delantero (montando un disco para cada rueda trasera del vehículo) y por otro lado, se analizó la opción de instalar un único disco como elemento de frenado acoplado a la carcasa del diferencial autoblocante.
En la tabla 3 se muestra algunas ventajas y desventajas de usar algunas disposiciones de frenos traseros.
Tabla 3. Ventajas y Desventajas frenos.
(GABRIEL, MESIAS IZURIETA , & CRUZ CASTRO , 2013)
Una vez analizada las 3 disposiciones de mecanismo de frenos para el vehículo arenero, se optó por usar tanto para eje delantero como el eje trasero, dos discos externos respectivamente.
19
El resto de elementos que constituyen el mecanismo de frenos: bombas de freno, pinzas de freno, pastillas, pedal, repartidor de frenada, depósitos de líquido, conductos, latiguillos y conectores son elementos que al igual que los discos forman parte de un proceso de selección y dimensionamiento propio de cada equipo, pero con criterios comunes para todos ellos.
El funcionamiento de estos elementos es totalmente conocido debido a su similitud con el mecanismo de frenado de los vehículos convencionales, aunque constituyen elementos adaptados de estas aplicaciones.
3.2 DISEÑO
E
IMPLEMENTACIÓN
MECANISMO
DE
SUSPENSION.
3.2.1 PARÁMETROS DE DISEÑO.
Como estándares en la estructura de la carrocería del chasis del vehículo tipo arenero, se utilizó como parámetros para el diseño e implementación de la suspensión lo siguiente:
1.- Espacio disponible en la carrocería, para una adecuada selección de los componentes.
2.- Altura del chasis al piso, para poder saber las dimensiones de las partes. 3.-Requerimientos de los elementos de la suspensión es el más importante ya que se usó para dar un correcto agarre del Polaris en curvas, una estabilidad en rectas y una rigidez enbaches, obstáculos y tipo de terreno.
3.2.2 SELECCIÓN DEL MECANISMO DE SUSPENSIÓN.
Para el diseño del mecanismo de suspensión al chasis y poder tener las características de un vehículo Polaris arenero lleva un mecanismo de suspensión de amortiguadores hidráulicos telescópicos del tipo monotubo con gas a presión, y muelles helicoidales montados coaxialmente a los mismos. Estos van provistos de un dispositivo de regulación manual, que posibilita la elección de diferentes durezas de amortiguación mediante la variación del paso de aceite en su interior. La regulación es discreta y se dispone de una treintena de posiciones diferentes seleccionables por medio de una
ruedecilla situada en el propio amortiguador, como se observa en la figura 10.
20 3.2.3 CÁLCULOS DEL MECANISMO DE SUSPENSIÓN.
Cálculo del ángulo de balanceo
El ángulo de balanceo se calcula utilizando la ecuación 16, asumiendo despreciable la deformación de los neumáticos, se fundamenta determinando la deformación y con ello la constante de elasticidad de los neumáticos.
∅ = ∅𝑠+ ∅𝑠𝑠 [16]
∅𝑠 es el ángulo de deformación
∅𝑠𝑠 es el ángulo de constante elástica
La variación angular en el momento de balanceo para el diseño dio como resultado 0, adicional a ello la experiencia y la literatura manifiestan que los Polaris puede soportar un balanceo fuerte.
∅𝑠𝑠= 0
Constante elástica conjunto muelle amortiguador.
Todos los cálculos del mecanismo de suspensión, se realizaron con unidades del sistema internacional. Conocida la contante de rigidez del muelle se empieza el análisis.
𝐾𝑆 = 400
𝑙𝑏𝑓
𝑝𝑢𝑙𝑔= 70050
𝑁 𝑚
Límite de velocidad de vuelco.
Conocer a qué velocidad el vehículo Polaris se puede volcar son: pasa por una curva a condiciones severas como son 2g de aceleración, un peralte de 5° y un radio de curvatura cerrado de 5m, da la pauta de las limitaciones del vehículo como consecuencia del diseño.
Batalla o trocha.
La batalla no es más que la distancia entre ejes, pero juega un papel crucial en el comportamiento dinámico del vehículo, pues tiene mucho que ver en el diseño de suspensión y dirección del prototipo. El cálculo de la distancia entre ejes se realizó con la ecuación 17 y con la distancia de eje a eje, pero resulta más conveniente medirlo respecto al centro de gravedad por motivos de cálculos.
𝐵 = 𝐿1+ 𝐿2 [17]
B es la batalla o trocha.
L1 es la distancia entre ejes trasera.
L2 es la distancia entre ejes delantera.
21 Masas suspendidas delanteras y traseras.
Analizar por separado el comportamiento de las masas suspendida y no suspendida garantiza conocer de mejor manera el comportamiento dinámico del vehículo, por ello se analizó el comportamiento de la masa suspendida y la no suspendida.
La masa total la consideramos con la masa del piloto de 70kg.
𝑚 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 340𝐾𝑔
𝑚𝑠𝑠= 48 𝑘𝑔
Masa suspendida en el eje delantero
Para calcular la masa suspendida se utilizó la ecuación 18 para determinar el comportamiento dinámico delantero.
𝑚𝑠𝑑 =
𝑚𝑠 ∗ 𝑙2
𝐵 [18]
ms es la masa suspendida.
l2 es la longitud del eje delantero.
B es la distancia longitudinal.
𝑚𝑠𝑑 =
(292𝐾𝐺) ∗ (0.694) 1.57𝑚
𝑚𝑠𝑑 = 129 𝑘𝑔
El resultado refleja la masa suspendida que está soportando el eje delantero
Masa suspendida en el eje posterior.
Para calcular la masa suspendida se utilizó la ecuación 19 para determinar el comportamiento dinámico trasero.
𝑚𝑠𝑑𝑡= 𝑚𝑠∗ 𝑙1
𝐵 [19]
𝑙1es la longitud del eje trasero.
𝑚𝑠𝑡 =(292𝐾𝐺) ∗ (0.875) 1.57𝑚
𝑚𝑠𝑑 = 162 𝑘𝑔
22 3.2.4 CÁLCULOS PARA LA SUSPENSIÓN DELANTERA.
Constantes del espiral.
Para determinar los datos de la suspensión delantera se utilizó la ecuación 20, que determina el comportamiento del espiral de acuerdo a su elasticidad y constitución del mismo.
𝐾𝑡𝑒 =𝑑
4𝐺. 𝑔
8𝑛𝐷𝑚2
[20]
Donde:
𝐾𝑡𝑒 es la constante del espiral. d es diámetro del alambre. G es el módulo de elasticidad. n es el número de vueltas útiles. Dm es el diámetro medio del alambre.
𝐾𝑡𝑒 = 9
4. 7800
8 ∗ 16(71)3
𝐾𝑡𝑒 =51175800
45812608 = 1.11
𝑘𝑔
𝑚𝑚= 62,15
𝑙𝑏
𝑖𝑛; 𝟏𝟎. 𝟖𝟕 𝑵 𝒎𝒎
3.2.5 DISEÑO DEL MECANISMO DE SUSPENSIÓN EN EL PROGRAMA SOLIDWORKS.
Utilizando el programa solidworks, se diseñó los modelos de los elementos de la suspensión, como se puede observar en la figura 11,12 y 13, para poder simular como trabajarían en situaciones reales.
23 Figura 12. Neumático
3.2.6. SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DEL MECANISMO DE SUSPENSIÓN EN EL PROGRAMA COSMOSMOTION
Se simuló las oscilaciones que soportará la suspensión delantera e independientemente como se puede apreciar el modelo total del vehículo en la figura 13.
Figura 13. Modelo final de la suspensión.
24
en baches. Por lo que se va aplicar cargas de: 300, 200 y 150 kgf. para analizar los brazos de gobierno.
Se empezó simulando las oscilaciones que soportaran la suspensión delantera e independientemente.
3.2.6.1. Altura de la carrocería al piso
En la primera simulación se aplicó la carga total y se obtuvo una reducción de la longitud de la carrocería con respecto al piso. En la figura 14 se puede apreciar lo mencionado, mientras mayor sea la carga menor es la longitud mencionada.
Figura 14.Altura de la carrocería al piso 3.2.6.2. Desplazamiento del amortiguador.
Para determinar el funcionamiento de la suspensión se realizaron las simulaciones de cargas oscilatorias de 200kgf. que producen una reducción de la longitud del vástago del amortiguador, así se puedo apreciar en las figuras 15 y 16 un cambio en la línea del dibujo de dos planos, obteniendo una onda senoidal.
25 Figura 16.Desplazamiento del Amortiguador Posterior.
3.2.7. IMPLEMENTACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL MECANISMO DE SUSPENSIÓN
3.2.7.1. Neumático.
Este elemento es el punto crítico del mecanismo de suspensión, pues actúa directamente según las irregularidades del terreno, por sus propiedades elásticas mitiga en un porcentaje muy bajo las frecuencias de oscilación, la carga más importante la transmite al amortiguador, para esto se utilizó un neumático como se aprecia en la figura 17. (GABRIEL, MESIAS IZURIETA , & CRUZ CASTRO , 2013)
26
Para iniciar con el diseño del mecanismo de suspensión se debe seleccionar el tipo de neumático que se va a emplear, para el caso se utilizó un neumático que se puede observar las características en la tabla 4.
Tabla 4. Características del neumático Yamaha Rhino 700. (Yamaha, Manual de reparación Yamaha Rhino 700, 2008) Ruedas
Marca neumático delantero Maxxis
Modelo neumático delantero AT
Rueda delantera 25/8-12
Marca neumático delantero Maxxis
Modelo neumático trasero AT
Rueda trasera 25/10-12
En la siguiente tabla 5, se aprecia el coeficiente de adherencia que tiene un neumático dependiendo de la calzada y el estado de los neumáticos.
Tabla 5. Coeficiente de adherencia según carretera y neumático. (GABRIEL, MESIAS IZURIETA , & CRUZ CASTRO , 2013)
CARRETERA NEUMATICOS
TIPO ESTADO NUEVOS USADOS
HORMIGON NORMAL SECO 1 1
MOJADO 0,7 0,5
ASFALTO GRUESO SECO 1 1
MOJADO 0,7 0,5
ASFALTO NORMAL SECO 0,6 0,6
MOJADO 0,5 0,3
3.2.7.2. Mangueta
Constituye un elemento de la masa no suspendida, y es la que interactúa mediante el amortiguador y el mecanismo con la masa suspendida.
27 Figura 18. Mangueta Rhino 700.
(Yamaha, Yamaha Rhino 700, 2008) 3.2.7.3. Conjunto muelle amortiguador
El conjunto muelle amortiguador juega un papel preponderante en el desempeño de la suspensión y con ello de todo el vehículo en general, pues tiene que soportar el peso del vehículo, las cargas debido a balanceo, vaivén y cabeceo, por ello es muy importante tomar en cuentas las características.se puede apreciar en la figura 19. (GABRIEL, MESIAS IZURIETA , & CRUZ CASTRO , 2013)
28
3.3. DISEÑO E IMPLEMETACIÓN DEL MECANISMO DE
DIRECCIÓN.
3.3.1. PARÁMETROS DE DISEÑO.
El mecanismo de dirección ayudara al conductor maniobrar el vehículo arenero tipo Polaris, es necesario tener cierta rigidez que permita tener estabilidad en altas velocidades y responder de manera instantánea los requerimientos del conductor.
Por otra parte el radio completo de giro del arenero va a depender del caster, es decir la distancia entre eje delantero y posterior que ya está establecido por el diseño de la carrocería.
3.3.2. SELECCIÓN DEL MECANISMO DE DIRECCIÓN.
La selección del mecanismo de dirección fue una mecánica por cremallera. Esta dirección se caracteriza por la sencillez de su mecanismo des multiplicador y su simplicidad de montaje, al eliminar gran parte de la tirantearía direccional. Va acoplada directamente sobre los brazos de acoplamiento de las ruedas y tiene un gran rendimiento mecánico. Debido a su precisión en el desplazamiento angular de las ruedas se utiliza mucho en vehículos de turismo, sobre todo en los de motor y tracción delantera, ya que disminuye notablemente los esfuerzos en el volante. Proporciona gran suavidad en los giros y tiene rapidez de recuperación, haciendo que la dirección sea muy estable y segura.
3.3.3. CÁLCULOS Y ASIGANCIÓN DE CARGAS DE LA DIRECCIÓN.
Para transformar el giro del volante de la dirección en el movimiento a un lado u otro del brazo de mando, se emplea el mecanismo contenido en la caja de la dirección, que al mismo tiempo efectúa una desmultiplicación del giro recibido, para permitir al conductor orientar las ruedas con un pequeño esfuerzo realizado en el volante de la dirección. Se llama relación de desmultiplicación, la que existe entre los ángulos de giro del volante y los obtenidos en la orientación de lasruedas.
En nuestro caso tenemos una vuelta completa del volante de la dirección (360º) se consigue una orientación de 20º en las ruedas.
Entonces: la desmultiplicación es:
360:20 = 18:1
3.3.4. DISEÑO DE MECANISMO DE DIRECCIÓN EN EL PROGRAMA SOLIDWORKS.
29 Figura 20. Cremallera
Figura 21. Tornillo sin fin y columna de dirección.
30
En la figura 23, se observa el mecanismo de dirección completamente ensamblado, además presenta los vectores cardinales de trabajo del tornillo sin fin en el conjunto cremallera.
Figura 23. Mecanismo de dirección.
3.3.5. SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DEL MECANISMO DE DIRECCIÓN MEDIANTE EL PROGRAMA COSMOSMOTION.
Con ayuda del programa Cosmosmotion, se realizó la simulación de los giros que hará el conductor del Polaris. Para ser posible la demostración de la simulación se hizo girar de lado a lado de 74° a 96° de lado a lado obteniendo la gráfica que se muestra en la figura 24.
31 3.3.6. IMPLEMENTACIÓN DEL MECANISMO DE DIRECCIÓN.
3.3.6.1. Determinación de componentes del mecanismo de dirección.
Es importante hacer una división de la masa total del Polaris arenero, puesto que, según su tipo, se comportan de modo distinto (diferente magnitud, diferentes frecuencias naturales de vibración, diferente colocación).
Es así que el mecanismo de frenado estará compuesto por los siguientes elementos que se irá estudiando a continuación:
3.3.6.2. Volante.
El volante que se selecciono fue un volante deportivo el que se lo puede apreciar en la figura 25, este volante fue elegido por maximizar el espacio a las piernas del conductor y por ser el mejor que encajaba en el arco delantero de seguridad del chasis.
Figura 25. Volante deportivo. 3.3.6.3. Columna de dirección.
32 Figura 26. Conjunto volante columna, junta universal Yamaha Rhino 700 FI.
3.3.6.4. Unión universal.
Se usan para permitir mantener la comunicación del par, entre barras que estén con diferentes ángulos. El tipo más común de unión universal para ángulos pequeños entre ejes es el pin and block, el cual se describe a continuación. La unión universal Pin and block opera de manera eficiente con ángulos mayores a 35º.
Una unión universal típica pin and block es mostrada en la figura 27.
Figura 27. Unión universal Yamaha Rhino 700FI.
(Yamaha, Yamaha Rhino 700, 2008)
Debido a las restricciones en el proyecto, se utilizó una unión universal pin and block, por motivos económicos. La columna de dirección será de 19 mm de diámetro de acero.
3.3.6.5. Caja de dirección.
33
En la tabla 6 se puede apreciar porqué se ha escogido el sistema de cremallera.
Tabla 6. Beneficios del sistema de cremallera
VENTAJAS
Construcción Sencilla
Fácil Y Económica De Fabricar Buena Eficiencia
Contacto Libre Entre Piñón Y Cremallera Como Posible Amortiguamiento Interno. La Bieleta Puede Unirse Directamente A La Cremallera.
Baja Elasticidad De La Dirección.
Fácil De Limitar El Movimiento Máximo De La Cremallera.
En la figura 28, se observa como quedo instalado el sistema de cremallera en el vehículo Polaris.
Figura 28. Cremallera Yamaha Rhino 700 FI. (Yamaha, Yamaha Rhino 700, 2008) 3.3.6.6. Rotulas.
Permiten las oscilaciones que se van a producir debido tanto al movimiento de la dirección .En el vehículo Yamaha Rhino 700 se aplicó rotulas de rosca derecha e izquierda según sea el caso.
3.3.6.7. Palanca de las manguetas.
Es una de las últimas partes del arenero. En su movimiento, por medio de las rotulas, tiran o empujan los extremos de las palancas, dándole un ángulo determinado según el arenero tipo Polaris. En la figura 29 se observa como está unida a la mangueta y está en el eje delantero.
34 3.3.6.8. Manguetas
Estas piezas deben ser muy rígidas para soportar los golpes a los que se verán sometidos en su funcionamiento, Para las manguetas se usará bloques de acero maquinable ASTM A 36.
En la figura 30, se puede observar las manguetas ya instaladas en el vehículo arenero Polaris.
Figura 30. Mangueta Yamaha Rhino 700FI. (ENDARA ESTÉVEZ & ENRÍQUEZ POZO, 2009)
3.4 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Para demostrar la implementación y el óptimo funcionamiento de los mecanismos (frenos, dirección y suspensión) fue necesario realizar varias pruebas las cuales permiten comprobar que funcione de una manera adecuada y que la sincronización de cada uno de los mecanismos colocados en el chasis no tengan ningún tipo de inconveniente al ser puesto en marcha.
3.4.1 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL MECANISMO DE SUSPENSIÓN.
La suspensión del Rhino 700 debe absorber los impactos de la irregularidad del camino, esto será trabajo del amortiguador. Obtener un óptimo agarre al piso en curvas, esto se obtiene con un óptimo camber y mantener una estabilidad, esto va a depender de los bujes y brazos de gobierno.
35
oscilatorias de 200kgf, da como resultado que un tiempo de 0 segundos un desplazamiento 113,8 mm comprobando que la implementación de suspensión monotubo mejora notablemente la comodidad y seguridad en caminos de tercer orden y de mala calidad, por su mejor reacción ante las vibraciones, y dado que su geometría ayuda a posicionar más favorablemente el centro de gravedad.
3.4.2 PRUEBA DE FUNCIONAMEINTO DEL MECANISMO DE FRENOS.
Para la prueba utilizamos como parámetros revoluciones a los que puede estar sometidos los discos de frenos ventilados, para el estudio se usaron 4000 RMP. Por otra parte se aplicó una fuerza al pistón del caliper de freno simulando el desplazamiento del pistón y obteniendo que en un tiempo de 1 segundo el desplazamiento del pistón del caliper será 11,54 mm lo que determina que el mecanismo de frenos implementado brinda absoluta confiabilidad y seguridad para el vehículo Yamaha Rhino 700 , lo cual es indispensable en la situaciones a cual será sometido en caminos de tercer orden y de mala calidad.
3.4.3 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL MECANISMO DE DIRECCIÓN.
En el mecanismo de dirección se realizó la siguiente prueba para transformar el giro del volante de la dirección en el movimiento a un lado u otro del brazo de mando, se emplea el mecanismo contenido en la caja de la dirección, que al mismo tiempo efectúa una desmultiplicación del giro recibido, para permitir al conductor orientar las ruedas con un pequeño esfuerzo realizado en el volante de la dirección. Se llama relación de desmultiplicación, la que existe entre los ángulos de giro del volante y los obtenidos en la orientación de las ruedas.
En la prueba tenemos una vuelta completa del volante de la dirección
36
4.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1. CONCLUSIONES.
El diseñar e implementar los mecanismos de (frenos, dirección y
suspensión)permitió adquirir un vasto conocimiento sobre programas de diseño y una comprensión técnica de su funcionamiento, en apego a los parámetros y normas establecidas para la construcción que son de importancia notoria para el buen performance del vehículo.
El diseño de los mecanismos (frenos, dirección y suspensión) se los realizo de una manera correcta con la ayuda del software solidworks el cual facilito la modelación así como la simulación de los componentes a ser implementados.
La implementación de los diferentes componentes de los mecanismos (frenos, dirección y suspensión) se cumplió con los parámetros
establecidos en la construcción y diseño del modelo físico Yamaha Rhino 700.
Se ha alcanzado un comportamiento de los mecanismos desarrollados, según lo planificado. En el mecanismo de suspensión y dirección se alcanzó las variaciones de los ángulos correctos, además los rangos de calibración de los mismos, los cuales permiten la puesta a punto de los mecanismos para el tipo de comportamiento que se requiera en caminos de tercer orden y de difícil accesos . El mecanismo de frenos brinda absoluta confiabilidad y seguridad para el conductor, lo cual es indispensable.
Se comprobó que la implementación de suspensión monotubo mejora notablemente la comodidad y seguridad en caminos de tercer orden y de mala calidad, por su mejor reacción ante las vibraciones, y dado que su geometría ayuda a posicionar más favorablemente el centro de gravedad. El programa solidworks ayudo a diseñar y simular condiciones reales de
37
4.3. RECOMENDACIONES
Se recomienda para cualquier modificación del diseño e implementación de los mecanismos de (frenos, dirección y suspensión) se debe realizarla con componentes previamente estudiados, comprobados bajo cálculos, adicionalmente el uso de un software diseño adecuado para no alterar de manera adversa el desempeño del mismo el cual puede provocar que el vehículo sufra fallas y deterioros.
Para incrementar el desempeño del mecanismo de suspensión se recomienda el estudio de un mecanismo de suspensión CATS (CATS (Computer Active Technology Suspensión) “Suspensión de Tecnología Activa de Computadora, además se debe verificar si el mecanismo estudiado es el adecuado y poder diseñar e implementarlo.
Se propone usar este vehículo tipo Polaris, para exposiciones, casas
abiertas y demostraciones automotrices, que se realizan en la carrera de Ingeniería Automotriz para demostrar los vehículos que se desarrollan en esta carrera.
Se recomienda utilizar este proyecto para realizar prácticas en el
38
5. BIBLIOGRAFÍA
abecedariodelautomovil. (2008). tren motriz. abecedario del automovil.
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