UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA
DETERMINAR EL ESTADO DE FUNCIONABILIDAD DE LOS
RESORTES HELICOIDALES PARA SUSPENSIÓN DE UN
VEHÍCULO.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
SOFIA NATHALY YACELGA ALMEIDA
DIRECTOR: ING. MILTON REVELO, MSC.
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FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1717136293
APELLIDO Y NOMBRES: Sofía Nathaly Yacelga Almeida
DIRECCIÓN: Mitad del mundo
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022630530
TELÉFONO MOVIL: 0995499294
DATOS DE LA OBRA
TITULO: “Diseño y simulación de un banco de pruebas
para determinar el estado de funcionabilidad de los resortes helicoidales para suspensión
de un vehículo”
AUTOR O AUTORES: Sofía Nathaly Yacelga Almeida
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
24 de Junio del 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing. Milton Revelo
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras Los resortes helicoidales tienen como función las siguientes características: absorber los golpes, brindar confort a los ocupantes del vehículo, mantener siempre las ruedas en contacto con el pavimento, soportar cargas del vehículo, etc. Los resortes helicoidales son parte importante del vehículo y de la seguridad activa del mismo. Para garantizar el funcionamiento normal de este elemento, es necesario contar con un sistema que nos indique en qué estado se encuentran los resortes, para ello diseñare y simulare banco de prueba, que permita obtener datos claros y reales del estado de funcionabilidad de los mismos.
En la actualidad muy pocos vehículos realizan el cambio de los resortes de suspensión, esto se debe a varios factores como son: desconocimiento de fatiga en la suspensión (resortes helicoidales), pensar que este es un elemento del vehículo q no sufre daño a lo largo del tiempo, técnicos que
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DEDICATORIA
La vida me enseño que a pesar de los tropiezos uno debe levantarse para poder alcanzar las metas. Hoy estoy alcanzando una meta que me costó lágrimas, sacrificio y sobre todo ejemplo para mis pilares Joselyn y Juan. A mi familia en general, porque me han brindado su apoyo incondicional y por compartir conmigo grandes triunfos como el de hoy.
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AGRADECIMIENTOS
A mis padres Juan Carlos Yacelga e Irma Almeida que siempre me apoyaron para poder llegar a ser un profesional de la Patria.
A mis chiquitos que aun los veo como mis niños Joselyn y Juan que con su corta vida me han apoyado incondicionalmente. A mi familia en general por el apoyo que siempre me brindaron día a día en el transcurso de cada año de mi carrera.
A mi compañera de vida Yaoska Muñoz que me apoyo con su sabiduría,amor,comprensión y madurez. Que a pesar que la vida nos golpeo, supimos aprender de nuestros errores y sobre todo seguir juntas como lo planeamos de un inicio, simplemente gracias.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA ÍNDICE DE CONTENIDOS ... I ÍNDICE DE TABLAS ... V ÍNDICE DE FIGURAS ... VI ÍNDICE DE ANEXOS ... IX RESUMEN ... X ABSTRACT ... XI
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 4
2.2. SUSPENSIÓN O AMORTIGUADORES DE AUTOMÓVILES LIGEROS 4 2.3. SISTEMA DE AMORTIGUAMIENTO, PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ... 5
2.4. COMPONENTES DE ESTOS SISTEMAS DE SUSPENSIÓN ... 5
2.4.1. BALLESTAS ... 5
2.4.2. MUELLES HELICOIDALES ... 7
2.4.3. BARRA DE TORSIÓN ... 8
2.5. ARQUETIPOS DE SUSPENSIONES ... 9
2.6. SUSPENSIÓN RÍGIDA ... 9
2.7. SUSPENSIÓN INDEPENDIENTE ... 10
2.8. SUSPENSIÓN DE EJE OSCILANTE ... 11
2.9. SUSPENSIÓN DE BRAZOS TIRADOS O ARRASTRADOS ... 11
2.10. SUSPENSIÓN MCPHERSON ... 12
2.11. SUSPENSIÓN DE PARALELOGRAMO DEFORMABLE ... 12
ii
2.13. SISTEMAS ESPECIALES DE SUSPENSIÓN ... 13
2.13.1. SISTEMAS CONJUGADOS ...13
2.13.2. SISTEMA HYDROLASTIC ...14
2.13.3. SISTEMA DE UNIÓN POR MUELLES ...14
2.13.4. SISTEMA DE SUSPENSIÓN HIDRONEUMÁTICA ...14
2.13.5. SUSPENSIÓN NEUMÁTICA ...15
2.14. DINÁMICA DE LA SUSPENSIÓN ... 15
2.15. FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE EL SISTEMA DE SUSPENSIÓN ... 16
2.15.1. MASA SUSPENDIDA ...16
2.15.2. MASA NO SUSPENDIDA ...17
2.16. BANCO O ESTACIONES DE ENSAYOS Y/O PRUEBAS ... 18
2.17. TIPOLOGÍAS DE PUESTOS O BANCOS DE PRUEBAS ... 18
2.17.1. BANCOS DE ENSAYO ELECTROMECÁNICOS ...19
2.17.2. BANCOS DE PRUEBA O ENSAYO SERVO HIDRÁULICOS ...19
2.18. OSCILACIONES AMORTIGUADAS ... 25
2.18.1. CLASES DE OSCILACIONES AMORTIGUADAS ...26
2.17.1.1 Amortiguamiento débil ...26
2.17.1.2 Amortiguamiento crítico ...26
2.17.1.3 Sobre amortiguamiento ...27
2.18. MATERIAL DE LOS ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS BANCOS DE PRUEBAS ... 27
2.19. SIMULACIÓN COMPUTARIZADA DE ESTRUCTURAS MECÁNICAS EN AUTODESK INVENTOR. ... 28
2.19.1. PRINCIPALES OPERACIONES DE AUTODESK INVENTOR ...29
3. METODOLOGÍA ... 30
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 34
iii
4.2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA BASICA ... 35
4.2.1 CÁLCULO DE FUERZAS Y RESISTENCIAS DEL EQUIPO ... 37
4.2.2 MATERIAL SELECCIONADO PARA EL DISEÑO DEL BANCO DE PRUEBA ... 38
4.2.3 COMPROBACION DE LA RESISTENCIA DEL EQUIPO ... 39
APLICANDO LA ECUACIÓN DE RESISTENCIA A LA TRACCIÓN DE LOS MATERIALES SE COMPROBÓ LA FIABILIDAD DEL MATERIAL SELECCIONADO, DE ACUERDO A LAS SIGUIENTES OPERACIONES . 39 𝝈𝒚 = 𝐅𝐀 [7] ... 39
4.2.4 MODELADO DEL EQUIPO EN UN PROGRAMA CAD ... 40
4.3. DENSIDAD ...46
4.3.1. TRATAMIENTO TÉRMICO ...46
...46
4.3.2. LA MALEABILIDAD Y DUCTILIDAD ...46
4.3.3. TRABAJABILIDAD ...46
4.3.4. FUERZA ...47
4.3.5. DUREZA ...47
4.4. GENERACION DE MOVIMIENTO ... 47
4.5.1.UTILIZACIONDEUNSISTEMAHIDRAULICO ...48
4.5.2.UTILIZACIONDEUNSISTEMANEUMATICO ...49
4.5.3.UTILIZACIONDEMOTORESELECTRICOS ...50
4.6. INSTALACIÓN DEL VARIADOR DE FRECUENCIA Y PUESTA EN FUNCIONAMIENTO ... 53
4.7. MOTOR ELÉCTRICO SELECCIONADO PARA OPERAR LA MAQUINA ... 55
iv
4.10. PROPUESTA FINAL DEL BANCO DE PRUEBAS Y DIMENSIONES
GENERALES ... 61
4.11. ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y SIMULACIÓN COMPUTARIZADA DEL BANCO DE PRUEBAS ... 64
4.12. CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES DEL MUELLE HELICOIDAL CASO DE ESTUDIO, PARA LA VALIDACIÓN DEL DISEÑO ... 66
4.12.1.DETERMINACIÓN DEL MATERIAL Y COEFICIENTE K DEL MUELLE HELICOIDAL ..66
4.13. SIMULACIÓN DEL RESORTE HELICOIDAL EN EL PROCESO DE VALIDACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS ... 72
4.14. PROPUESTA DE SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS ... 73
4.15. DETERMINACION DEL SENSOR O TRANSDUCTOR A UTILIZARSE74 4.16.COMUNICACIÓNCONELCOMPUTADORYREPRESENTACIÓNDE DATOS ...76
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 71
5.1 CONCLUSIONES ... 71
5.2 RECOMENDACIONES ... 72
GLOSARIO ... 73
BIBLIOGRAFIA ... 76
v
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Características y propiedades mecánicas a la tensión de los
aceros más comunes en la construcción estructural de máquina. ... 39
Tabla 2. Mecanismo de accionamiento del sistema de oscilaciones del
banco de pruebas. ... 522
Tabla 3. Propiedades de motores eléctricos. ... 567
Tabla 4. Datos obtenidos en la práctica con la sección de mayor
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Sistemas mecánicos de un automóvil ... 4
Figura 2. Amortiguadores de ballesta. ... 6
Figura 3. Suspensión helicoidal. ... 7
Figura 4. Barra de torsión longitudinal ... 8
Figura 5. Barra de torsión transversal. ... 9
Figura 6. Tipos de masas en el vehículo. ... 17
Figura 7. Sistema tjf garnet de amortiguación. ... 19
Figura 8. Microtest serie rte. Sistema de Amortiguación. ... 20
Figura 9. Bastidor de 830 kN con mordazas acopladas para el ensayo de metales. Sistema de Amortiguación. ... 21
Figura 10. Diagramadora de amortiguadores shock dyno ... 22
Figura 11. Pruebas de funcionamiento de amortiguadores y análisis de vibraciones. ... 23
Figura 12. Very High Frecuency7D. Sistema de Amortiguación ... 24
Figura 13. Analogía electrónica de funcionamiento. ... 24
Figura 14. Flujo de diseño del banco de estudio. ... 35
Figura 15. Vistas de las dimensiones básicas de las máquinas que se diseñará. ... ¡Error! Marcador no definido. Figura 16. Vistas frontal con dimensiones básicas de la máquina diseñada. ... 417
Figura 17. Diseño tridimensional desarrollado en Inventor 2014 del banco de pruebas. (Vista 1)………..………..41
vii
Figura 19. Diseño tridimensional desarrollado en Inventor 2014 del
banco de pruebas. (Vista 3) ... 422
Figura 20. Diseño tridimensional desarrollado en Inventor 2014 del banco de pruebas. (Vista 4) ... 42
Figura 21. Diseño tridimensional desarrollado en Inventor 2014 del banco de pruebas. (Vista 5) ... 43
Figura 22. La mesa de sujeción de los elementos a ensayar, del banco de prueba, se muestra resaltada en color azul. ... 44
Figura 23. El cilindro o pistón de empuje encargado de transmitir las oscilaciones mecánicas al elemento a ensayar en la máquina. ... 44
Figura 24. El cilindro o pistón de empuje encargado de transmitir las oscilaciones mecánicas al elemento a ensayar en la máquina. ... 45
Figura 25. Esquema elemental de un sistema hidráulico de accionamiento de bancos de pruebas ... 488
Figura 26. Diagrama básico de un sistema neumático de accionamiento de bancos de pruebas ... 50
Figura 27. Motor eléctrico ... 51
Figura 28. Esquema básico de conexión entre el variador de frecuencia y el motor ... 53
Figura 29. Variantes de funcionamiento del variador de frecuencia. ... 54
Figura 30. Motor eléctrico propuesto en el banco de pruebas. ... 58
Figura 31. Imagen del BOP de control del variador de frecuencia. ... 58
Figura 32. Caja de reducción por medio de piñones. ... 60
Figura 33. Mecanismos de accionamiento de la mesa de oscilaciones ... 61
Figura 34. Dimisiones de la máquina de ensayos o banco de prueba, vista lateral ... 62
viii
Figura 36. Dimisiones de la máquina de ensayos o banco de prueba,
vista superior... 63
Figura 37. Representación del margen de deformación posible por los esfuerzos desarrollados en el banco de pruebas ... 65
Figura 38. Representación del factor de seguridad estructural del banco de pruebas ... 66
Figura 39. Método de prueba para obtener la constante K del muelle ... 67
Figura 40. Obtención de la constante K del muelle ... 68
Figura 41. Aplicación de carga en la sección ... 69
Figura 42. Diseño del resorte helicoidal ... 70
Figura 43. Longitud del resorte helicoidal descargado ... 71
Figura 44. Diámetros interior y exterior del resorte helicoidal ... 71
Figura 45. Inicio de las deformaciones a compresión del resorte helicoidal, en el banco de prueba ... 7272
Figura 46. Factor de seguridad estructural del resorte helicoidal, bajo las condiciones de ensayo propiciadas por la maquina diseñada... 73
Figura 47. Adquisiciones de datos y proceso de visualización de datos ... 76
ix
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1. Dimensiones generales del Banco de pruebas o máquina ... 79
Anexo 2. Dimensiones del brazo soporte de la máquina ... 80
Anexo 3. Dimensiones de la mesa de sujeción de la máquina ... 81
Anexo 4. Dimensiones del brazo soporte de la máquina ... 82
x
RESUMEN
xi
ABSTRACT
1
1. INTRODUCCIÓN
Los resortes helicoidales tienen como función las siguientes características: absorber los golpes, brindar confort a los ocupantes del vehículo, mantener siempre las ruedas en contacto con el pavimento, soportar cargas del vehículo, etc. los resortes helicoidales son parte importante del vehículo y de la seguridad activa del mismo. Para garantizar el funcionamiento normal de este elemento, es necesario contar con un sistema que nos indique en qué estado se encuentran los resortes, para ello diseñare y simulare un banco de prueba, que permita obtener datos claros y reales del estado de funcionabilidad de los mismos.
En la actualidad muy pocos vehículos realizan el cambio de los resortes de suspensión, esto se debe a varios factores como son: desconocimiento de fatiga en la suspensión (resortes helicoidales), pensar que este es un elemento del vehículo que no sufre daño a lo largo del tiempo, técnicos que no cuentan con herramientas o máquinas que determinen el estado de los mismos, etc.
Con este análisis el presente trabajo se basa en el diseño y simulación de un banco de pruebas para determinar el estado de funcionabilidad de los resortes helicoidales de la suspensión de un vehículo liviano apoyado por la comisión de investigación de campo; basada en la línea de investigación referente a nuevas tecnologías automotrices y un nivel de conocimiento descriptivo.
2 conformantes de los vehículos deben ser reemplazados en cierto tiempo, kilómetros o según las condiciones de manejo.
Los resortes deben ser reemplazados todos juntos o por pares (delanteros o traseros) si: 1) cada dos cambios de amortiguadores (40.000 o 50.000 km), según el estado en que esté el resorte; 2) si la pintura que lo recubre está gastada, puede tener fisuras imperceptibles a la vista; 3) cuando el rodado tiene una altura inferior con respecto del suelo (adelante o atrás); 4) si el espiral del resorte está golpeado pierde resistencia, lo que afecta la estabilidad del rodado y genera desgastes prematuros; 5) si los topes están dañados disminuye la capacidad de absorber los impactos. Con esto el auto se desnivela y puede perderse el control del mismo.
Surge aquí la problemática en cuanto a la prueba de los resortes helicoidales, ya que no se cuenta con un equipo que permita determinar si los mismos poseen la presión y estabilidad óptima que especifica el fabricante después de cierto tiempo de uso. Entonces no se puede determinar de forma precisa la funcionalidad o estado en que se encuentran los resortes de la suspensión.
Por consiguiente, toda empresa que se dedique a la venta y servicios de suspensión automotriz deben tener equipos y herramientas idóneas para prestar un servicio eficaz, ya que los mismo permitirán determinar la eficacia de las suspensiones.
Considerando lo anterior, la presente investigación propone la alternativa de diseñar un banco de prueba para resortes helicoidales de la suspensión de vehículos que permitan determinar la funcionabilidad de los resortes helicoidales y determinar la veracidad de las especificaciones de los fabricantes. Del planteamiento del problema antes descrito, se derivan las siguientes interrogantes: ¿Cuál es la necesidad de un banco de prueba para resortes helicoidales para las suspensiones de los vehículos?
3 comportamiento de las variables, permitiendo el discernimiento sobre todo el funcionamiento y mecanismo que va a hacer desarrollado a través del presente proyecto, también queda como base para el desarrollo de futuras investigaciones en relación con los bancos de prueba.
Estos elementos de máquinas denominados muelles o resortes helicoidales poseen una alta representatividad en el mundo del automovilismo ya que son los encargados de absorber las vibraciones mecánicas propias del desplazamiento del automóvil y de sus elementos móviles. Por estas razones es de vital importancia garantizar la correcta funcionalidad y explotación de este componente, que ofrece seguridad y control en los procesos de conducción de los autos. Dado lo anteriormente expuesto, este trabajo de titulación desarrolla los procesos de diseño y simulación de un banco de prueba para, con la finalidad de precisar el estado o nivel de operatividad de los resortes o muelles helicoidales de la suspensión de un vehículo ligero.
El propósito general del trabajo es diseñar y simular un banco de pruebas para determinar el estado de funcionabilidad de los resortes helicoidales para suspensión de un vehículo.
4
2. MARCO TEÓRICO
En este capítulo se detallan los aspectos de los sitemas de suspención de automobiles y las caracteristicas de las máquinas o bancos de prueba de estos importantes elemetos de máquinas, que son de vital importancia en el correcto fucionamiento y seguridad en la conducción de los vehículos.
2.2. SUSPENSIÓN
O
AMORTIGUADORES
DE
AUTOMÓVILES LIGEROS
Un vehículo está constituido por diferentes sistemas mecanicos, cada uno de los cuales desempeña un rol concreto y en estrecha correspondencia con los demás para lograr una adecuada operación del vehículo en cualquiera de las condiciones que se le exijan.
El mecanismo de suspensión o amortiguadores, con sus elementos, en un automóvil, tiene como objetivo fundamental permitir una conducción cómoda y segura, para los pasajeros y contribuir en todo momento a la mayor estabilidad del vehículo. Para llevar a cabo estos objetivos deberá cumplir con dos cualidades importantes: elasticidad, que evita que las desigualdades del terreno se transmitan al vehículo en forma de golpes secos y amortiguación que impide un balanceo excesivo (Vargas, 2003), como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Sistemas mecánicos de un automóvil
5
2.3. SISTEMA DE AMORTIGUAMIENTO, PRINCIPIO DE
FUNCIONAMIENTO
La idea conceptual de estos sistemas es la de suspender y absorber los movimientos bruscos que se ocasionan en la carrocería, por efecto de las irregularidades de la superficie de desplazamiento, permitiendo al vehículo desarrollar un movimiento estable y convincente. Para lograr dicha finalidad estos componentes deben ir entre el bastidor (carrocería) y los ejes donde van las ruedas. Se denomina suspensión al conjunto de elementos que se interponen entre los órganos suspendidos y no suspendidos. Hay otros elementos con misión amortiguadora, como los neumáticos y los asientos. Los elementos de la suspensión deben ser lo suficientemente resistentes y elásticos para aguantar las cargas a que se ven sometidos sin que se produzcan deformaciones permanentes ni roturas y también para que el vehículo no pierda adherencia con el suelo (Fernández, 2007).
2.4. COMPONENTES
DE
ESTOS
SISTEMAS
DE
SUSPENSIÓN
Son elementos colocados entre el bastidor y lo más próximo a las ruedas, que recogen directamente las irregularidades del terreno, absorbiéndolas en forma de deformación. Tienen buenas propiedades elásticas y absorben la energía mecánica, evitando deformaciones indefinidas. Cuando debido a una carga o una irregularidad del terreno el muelle se deforma, y cesa la acción que produce la deformación, el muelle tenderá a oscilar, creando un balanceo en el vehículo que se reduce por medio de los amortiguadores (Fernández, 2007). Existen de 3 tipos:
2.4.1. BALLESTAS
6 pasador central llamado “perno-capuchino”. Para mantener las láminas alineadas llevan unas abrazaderas. La hoja más larga se llama “maestra”. Termina en sus extremos en dos curvaturas formando un ojo por el cual, y por medio de un buje de goma, se articulan en el bastidor. Mediante los abarcones, se sujetan al eje de la rueda. En uno de sus extremos se coloca una gemela, que permite el desplazamiento longitudinal de las hojas cuando la rueda pase un obstáculo y, en el otro extremo va fijo al bastidor. El buje consiste en dos casquillos de acero entre los que se intercala una camisa de goma (LOZADA, 2001).
Si la ballesta es muy flexible se llama blanda, y, en caso contrario, dura; usándose una u otra según el peso a soportar. Las ballestas pueden utilizarse como elemento de empuje del eje al bastidor. Para evitar que el polvo o humedad, que pueda acumularse en las hojas, llegue a “soldar” unas a otras impidiendo el resbalamiento entre sí y, por tanto, la flexibilidad, se recurre a intercalar entre hoja y hoja láminas de zinc, plástico o simplemente engrasarlas.
Suelen tener forma sensiblemente curvada y pueden ir colocadas longitudinalmente o en forma transversal, esta última forma es empleada en la suspensión por ruedas independientes, siendo necesario colocar en sus extremos las gemelas (Domínguez et al., 2008), como puede observarse en la figura 2.
7
2.4.2. MUELLES HELICOIDALES
Otro medio elástico en la suspensión lo constituye el muelle o resorte helicoidal. No puede emplearse como elemento de empuje ni de sujeción lateral, por lo que es necesario emplear manguetas. Con el diámetro variable se consigue una flexibilidad progresiva; también se puede conseguir con otro muelle interior adicional. La flexibilidad del muelle será función del número de espiras, del diámetro del resorte, del espesor o diámetro del hilo, y de las características elásticas del material. Las espiras de los extremos son planas, para favorecer el acoplamiento del muelle en su apoyo. Los muelles reciben esfuerzos de compresión, pero debido a su disposición helicoidal trabajan a torsión (LOZADA, 2001). Como se ilustra en la figura 3.
8
2.4.3. BARRA DE TORSIÓN
Medio elástico, muy empleadas, en suspensiones independientes traseras en algunos modelos de vehículos. También son empleadas en la parte delantera. Su funcionamiento se basa en que si a una barra de acero elástica se la fija por un extremo y al extremo libre le someto a un esfuerzo de torsión (giro), la barra se retorcerá, pero una vez finalizado el esfuerzo recuperará su forma primitiva. El esfuerzo aplicado no debe sobrepasar el límite de elasticidad del material de la barra, para evitar la deformación permanente. Su montaje se puede realizar transversal o longitudinalmente. La sección puede ser cuadrada o cilíndrica, siendo esta última la más común. Su fijación se realiza mediante un cubo estriado.
Existen bayetas llamadas “parabólicas”, en las cuales las hojas no tienen la misma sección en toda su longitud. Son más gruesas por el centro que en los extremos. Se utilizan en vehículos que soportan mucho peso (LÓPEZ, 2009). Como se muestra en las figuras 4 y 5.
9
Figura 5. Barra de torsión transversal. (Nash, José, & others, 1970) (RIBBENS, 2014)
2.5. ARQUETIPOS DE SUSPENSIONES
En general, todos los sistemas de suspensión constan de elementos elásticos (ballestas, muelles helicoidales, barras de torsión o fuelles neumáticos), amortiguadores y barras estabilizadoras.
Los vehículos tienen sistemas de suspensión tanto delantera como trasera. Las soluciones empleadas en los ejes delantero y trasero suelen ser diferentes debido a que sólo las ruedas delanteras tienen direccionalidad; también depende de si la transmisión se realiza a las ruedas delanteras, traseras o a las cuatro ruedas (Nash, José, & others, 1970).
2.6. SUSPENSIÓN RÍGIDA
10 Estos tipos de suspensión, en principio, no tienen tan buen comportamiento como las independientes, pero su buen compromiso entre coste y comportamiento hace que sean ampliamente utilizadas (Vargas, 2003). Esta suspensión tiene unidas las ruedas mediante un eje rígido formando un conjunto. Presenta el inconveniente de que al estar unidas ambas ruedas, el movimiento y las vibraciones producidas por la acción de las irregularidades del pavimento se transmiten de un lado al otro del eje; además el peso de las masas no suspendidas aumenta notablemente debido al peso del eje rígido y al peso del grupo cónico diferencial en los vehículos de tracción trasera. Para estabilizar el eje y generar un único centro de balanceo de la suspensión, se añade una barra transversal que une el eje con el bastidor. A esta barra se le conoce con el nombre de barra "Panhard". Tanto las barras longitudinales como la barra Panhard dispone de articulaciones elásticas que las unen con el eje y la carrocería (Cacho, 2003).
Como principal ventaja, los ejes rígidos destacan por su sencillez de diseño y no producen variaciones significativas en los parámetros de la rueda como caída, avance, etc. El principal uso de esta disposición de suspensión se realiza sobre todo en vehículos industriales, autobuses, camiones y vehículos todo terreno (Milla, 1988).
2.7. SUSPENSIÓN INDEPENDIENTE
En casi todos los automóviles modernos, el eje delantero es independiente, ya que permite un mejor contacto de las ruedas con el suelo al girar. La suspensión más utilizada en el eje delantero es la de tipo MacPherson y sus variantes más modernas basadas en ella (Rojas & Arzola, 2013).
11 el pavimento sin transmitirlas de una rueda a otra del mismo eje. Las ventajas de la suspensión independiente son que posee menor peso no suspendido que otros tipos de suspensión por lo que las acciones transmitidas al chasis son de menor magnitud, el contacto con el piso es más seguro y la suspensión más flexible sin peligro tan cercano de rotura, una marcha más confortable del vehículo, más segura su dirección y por lo tanto más garantía en altas velocidades. Como contra, para cargas elevadas esta suspensión puede presentar problemas (Hernández Carpio & others, 2015).
2.8. SUSPENSIÓN DE EJE OSCILANTE
La peculiaridad de este sistema está en que el elemento de rodadura y el semieje son solidarios (salvo el giro de la rueda), de forma que el conjunto oscila alrededor de una articulación próxima al plano medio longitudinal del vehículo. Este tipo de suspensión no se puede usar como eje directriz puesto que en el movimiento oscilatorio de los semiejes se altera notablemente la caída de las ruedas en las curvas. Completan el sistema de suspensión dos conjuntos muelle-amortiguador telescópico (Martínez López & others, 2013a).
2.9. SUSPENSIÓN DE BRAZOS TIRADOS O ARRASTRADOS
12 tirado en el anclaje al bastidor y cuál es el elemento elástico que utiliza (Martínez López & others, 2013b).
2.10. SUSPENSIÓN MCPHERSON
Esta suspensión fue desarrollada por Earle S. McPherson, ingeniero de Ford del cual recibe su nombre. Este sistema es uno de los más utilizados en el tren delantero aunque se puede montar igualmente en el trasero. Este sistema ha tenido mucho éxito, sobre todo en vehículos más modestos, por su sencillez de fabricación y mantenimiento, el coste de producción y el poco espacio que ocupa (Satan & Oswaldo, 2000).
Con esta suspensión es imprescindible que la carrocería sea más resistente en los puntos donde se fijan los amortiguadores y muelles, con objeto de absorber los esfuerzos transmitidos por la suspensión. La suspensión tipo McPherson forma un mecanismo de tipo triángulo articulado formado por el brazo inferior, el conjunto muelle-amortiguador y el propio chasis. El lado del triángulo que corresponde al muelle-amortiguador es de compresión libre por lo que sólo tiene un único grado de libertad: la tracción o compresión de los elementos elásticos y amortiguador. Al transmitirse a través del muelle- amortiguador todos los esfuerzos al chasis es necesario un dimensionado más rígido de la carrocería en la zona de apoyo de la placa de fijación.
Como elementos complementarios a esta suspensión se encuentra la barra estabilizadora unida al brazo inferior mediante una bieleta y al bastidor mediante un casquillo, y en este caso un tirante de avance (Cacho, 2003).
2.11. SUSPENSIÓN DE PARALELOGRAMO DEFORMABLE
13
2.12. SUSPENSIONES MULTIBRAZO O MULTILINK
Las suspensiones multibrazo se basan en el mismo concepto básico que sus precursoras las suspensiones de paralelogramo deformable, es decir, el paralelogramo está formado por dos brazos transversales, la mangueta de la rueda y el propio bastidor. La diferencia fundamental que aportan estas nuevas suspensiones es que los elementos guía de la suspensión multibrazo pueden tener anclajes elásticos mediante manguitos de goma.
Gracias a esta variante las multibrazo permiten modificar tanto los parámetros fundamentales de la rueda, como la caída o la convergencia, de la forma más apropiada de cara a la estabilidad en las distintas situaciones de uso del automóvil. Esto significa que las dinámicas longitudinal y transversal pueden configurarse de forma precisa y prácticamente independiente entre sí, y que puede alcanzarse un grado máximo de estabilidad direccional y confort (Fernández, 2007).
2.13. SISTEMAS ESPECIALES DE SUSPENSIÓN
A continuación se destacan las tipologías de sistemas de suspensión más comúnmente empleadas en la industria automovilística a novel internacional.
2.13.1. SISTEMAS CONJUGADOS
14
2.13.2. SISTEMA HYDROLASTIC
Cada una de las ruedas posee una unidad de suspensión que desempeña las funciones de muelle y amortiguador, se fijan al bastidor y están unidas por medio de las tuberías, los elementos de suspensión del mismo lado. En su interior, y en uno de los extremos, lleva una masa cónica de caucho que desempeña los efectos de muelle. El otro extremo se cierra mediante los diafragmas, en el que apoya un pistón conectado a los brazos de las unidades de suspensión.
La cámara que media está dividida por una campana metálica con una válvula bidireccional doble de goma. Cuando la rueda delantera sube para salvar un obstáculo, el diafragma se desplaza hacia adentro, impulsando el líquido a través de los orificios del tabique metálico y de la válvula bidireccional, cuya resistencia constituye el efecto amortiguador. El movimiento del diafragma reduce el volumen de la cámara y aumenta la presión, desplazando parte del líquido por la tubería de conexión. Esto hace que el diafragma del otro elemento sea empujado hacia afuera con lo que sube la suspensión (LÓPEZ, 2009) .
2.13.3. SISTEMA DE UNIÓN POR MUELLES
Consiste en unir los brazos delantero y trasero, de cada lado del vehículo, por un cilindro, en cuyo interior hay un muelle. En cada una de las ruedas hay un amortiguador de inercia (Gerez, 2014).
2.13.4. SISTEMA DE SUSPENSIÓN HIDRONEUMÁTICA
15 de las ruedas (estabilidad en carretera). El sistema de suspensión hidroneumática que equipa los modelos de la gama Citroën está constituido por dos fluidos: líquido y gas. El muelle mecánico clásico es sustituido por una masa de gas (nitrógeno), encerrado en una esfera de acero.
La carrocería reposa sobre 4 bloques neumáticos, cuya función entra en acción al realizarse los desplazamientos de las cuatro ruedas independientes (Goicolea, Barbero, Navarro, & Gabaldón, 2002).
El líquido es el elemento que asegura la unión entre la masa gaseosa y los elementos móviles de los ejes: los brazos de suspensión. El líquido permite también compensar automáticamente, mediante variaciones de su volumen, los cambios de altura del vehículo (por ejemplo, los que resultarían al cargar el vehículo).Un mando mecánico manual permite hacer variar la altura del vehículo, para facilitar el franqueo de obstáculos o el cambio de una rueda.
2.13.5. SUSPENSIÓN NEUMÁTICA
El estudio de este sistema se realizó anteriormente al desarrollar independientemente, la suspensión delantera y trasera neumática. Entre las grandes ventajas de la suspensión neumática hay que incluir la constancia de sus características, que proporcionan una marcha suave independientemente de si el vehículo va cargado o vacío. Ello reduce los daños de transporte, confiere mayor longevidad al chasis y un mejor confort para el conductor (Álvarez, Lua, Ávila, & Hernández, 2015).
2.14. DINÁMICA DE LA SUSPENSIÓN
16 afectando al valor de la fuerza adherente entre éstas y la calzada (Domínguez et al., 2008).
Las vibraciones en el vehículo son estimuladas, esencialmente, por tres especímenes de acciones: irregularidades de la calzada, acción de las masas giratorias, especialmente motor y transmisión, y aerodinámicas. Las dos primeras, más importantes son, correspondientemente, de naturaleza fundamentalmente aleatoria y periódica.
El control de los movimientos vibratorios: frecuencia, amplitud, aceleración, etc., se realiza a través del sistema de suspensión que, intercalado entre las masas unidas a las ruedas (masas no suspendidas, si se tiene en cuenta que el neumático es su medio elástico) y el cuerpo del vehículo (masa suspendida) permite el desplazamiento entre ambos mediante elementos elásticos (resortes) y produce una disipación de energía, mediante elementos amortiguadores.
Diversa literatura se refiere a la inconformidad de los ocupantes del vehículo como Incomodidad Cinética Vibratoria por sus siglas ICV (Milla, 1988).
2.15. FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE EL SISTEMA DE
SUSPENSIÓN
El sistema de suspensión lo integra un grupo de elementos elásticos que se intercalan entre la masa suspendida y la masa no suspendida como se muestra en la figura 6. La principal diferencia que caracterizan a ambas masas es:
2.15.1. MASA SUSPENDIDA
17
2.15.2. MASA NO SUSPENDIDA
Es la parte que está invariablemente en unión con la calzada, estos elementos son los neumáticos, ejes y elementos de la suspensión muelles, amortiguadores etc. como se muestra en la figura 6. (Galeano, Duque, & Tovar, 2009).
Figura 6. Tipos de masas en el vehículo. (Nash et al., 1970)
18
2.16. BANCO O ESTACIONES DE ENSAYOS Y/O PRUEBAS
Los bancos de ensayo o de prueba, son un elemento indispensable a la hora
de ensayar los amortiguadores antes de su puesta en el mercado y para su
posterior análisis con vistas a la mejora o a la correcta aplicación de los
mismos. Se distinguen dos tipos dependiendo de la central de potencia y de
los movimientos que permiten:
Electromecánicas: La central de potencia la constituye un motor eléctrico.
Servo hidráulicas: La potencia viene suministrada por uno, o varios, actuadores hidráulicos que proporcionan mayor fuerza para la realización del ensayo. Son las más comunes.
En el siguiente capítulo se expondrán diferentes tipos de diagramadoras con
sus respectivas características. No existe normativa nacional o internacional
establecida relativa a los ensayos de amortiguadores sino que cada
fabricante tiene su propio proceso de ensayo y análisis (Mendoza & Caraballo, 2014).
De la misma forma no existe un protocolo a la hora de realizar los análisis
pero todos los fabricantes aceptan como una suerte de patrón los resultados
de las máquinas de la empresa MTS®de la que se expondrán algunos
ejemplos en el siguiente apartado.
2.17. TIPOLOGÍAS DE PUESTOS O BANCOS DE PRUEBAS
A continuación de destacan o ejemplifican las tipologías de bancos de
19
2.17.1. BANCOS DE ENSAYO ELECTROMECÁNICOS
Son máquinas de ensayo cuya central de potencia consiste en un motor
eléctrico que proporciona giro a un volante, el cual, mediante un vástago
conectado al pistón, transforma el movimiento de rotación en un movimiento
lineal. Estos marcos de ensayo son los más escasos debido a que la fuerza
suministrada por su central de potencia es menor que en el caso de las
servo hidráulicas. Como ejemplo a este tipo de bancos de ensayo se puede
observar en la siguiente figura 7. Esta máquina posee la posibilidad de
modificar la velocidad de giro del volante para simular diferentes condiciones
de uso(LOZADA, 2001).
Figura 7. Sistema tjf garnet de amortiguación. (LOZADA, 2001)
2.17.2. BANCOS DE PRUEBA O ENSAYO SERVO HIDRÁULICOS
Se trata de máquinas de ensayo dotadas de uno o varios actuadores
hidráulicos que proporcionan mayor fuerza que las electromecánicas.
Generalmente son muy versátiles, ya que permiten ensayos de fatiga y
20
En la figura 8, se muestra un esquema de los elementos que componen un
marco de ensayo de este tipo, en particular de la serie EFH de Microtest.
Figura 8. Microtest serie rte. Sistema de Amortiguación. (LOZADA, 2001)
Las empresas que comercializan estos bancos de ensayo ofrecen,
generalmente bajo demanda del usuario, modificaciones constructivas para
adaptarse a sus necesidades. De esta forma pueden ser utilizadas para
otros fines como ensayos estáticos de materiales mostrados en la figura 9.
21
Figura 9. Bastidor de 830 kN con mordazas acopladas para el ensayo de metales. Sistema de Amortiguación.
(Carvajal Vinocuna & Zurita Coronel, 2005)
Aunque la versatilidad de estas máquinas es un valor añadido, empresas
como IST poseen en catálogo un conjunto de marcos exclusivos para el
ensayo de amortiguadores con diferentes características dependiendo de las
necesidades del demandante entre las que destaca la posibilidad de orientar
el marco de ensayo desde la posición vertical típica hasta una posición total-
mente horizontal ilustrado en la figura 10. (Carvajal Vinocuna & Zurita
22
Figura 10. Diagramadora de amortiguadores shock dyno (Carvajal Vinocuna & Zurita Coronel, 2005)
En el ámbito de las empresas que suministran bancos de ensayo para
amortiguadores cabe destacar la contribución que, desde 1966, viene
haciendo MTS®Systems Corporation, la cual posee en catálogo infinidad de
soluciones personalizables para cada necesidad en el campo de los ensayos.
Fruto de la colaboración en el desarrollo de productos de forma conjunta con
el cliente, se adaptan a las necesidades del mismo para optimizar los
diseños y mejorar la productividad. Al estudio del comportamiento mecánico
de los amortiguadores, hay que sumar la capacidad de los marcos de
ensayo de MTS®para medir otros pará- metros como son la influencia de la
temperatura en el comportamiento en servicio, así como las distintas formas
de onda aplicables durante el ensayo.
Todos estos parámetros son fácilmente evaluables con el software
suministrado por MTS®así como con el hardware opcional que distribuyen
consistente en equipos que parten desde controladores digitales hasta
23
y evaluar datos de varios bancos de ensayo. (RIBBENS, 2014).
Figura 11. Pruebas de funcionamiento de amortiguadores y análisis de vibraciones. (RIBBENS, 2014)
Las capacidades de carga de los bancos de ensayo servohidráulicos
abarcan un rango bastante amplio que parte desde los 15 kN de las más
sencillas hasta los 1500 ó 2000 kN de las más potentes. Lo mismo ocurre
con las frecuencias de excitación que proporcionan estos actuadores,
estando comprendidas entre los 0,1 Hz hasta los 1000Hz que proveen las
máquinas de IST con sus modelos VHF, mostrado en la figura 12 y 13
24
Figura 12. Very High Frecuency7D. Sistema de Amortiguación (Mendoza & Caraballo, 2014)
Figura 13. Analogía electrónica de funcionamiento. (Mendoza & Caraballo, 2014)
Ley de Hooke: El análisis de datos del estiramiento de un resorte al someterlo a una fuerza de valor conocido establece que dicho estiramiento (elongación) es tanto mayor cuanto mayor es la fuerza, A finales del siglo XVII el astrónomo R. Hooke estudio las propiedades elásticas de los resortes y encontró que:
25 Dónde:
F: fuerza.
K: coeficiente de potencial elástico. X: deformación del resorte.
Donde F es la fuerza aplicada, k es la constante elástica del resorte (esta constante es una medida de rigidez del resorte) y x es la elongación del resorte (lo que esta se estira o se comprime) (Martínez López & others, 2013b).
2.18. OSCILACIONES AMORTIGUADAS
En todos los movimientos oscilantes reales, se disipa energía mecánica debido a algún tipo de fuerza de fricción o rozamiento. Cuando esto ocurre, la energía mecánica del movimiento oscilante disminuye con el tiempo y el movimiento se denomina amortiguado. La representación más sencilla y más común de una fuerza de amortiguamiento es aquella que la considera proporcional a la velocidad de la masa pero en sentido opuesto, en donde b
es una constante que describe el grado de amortiguamiento.
𝐹
𝐴= −b ∗ v
[2] Donde:FA: Fuerza de amortiguamiento.
b: Constante que describe el grado de amortiguameonto. v: Veloscidad de la masa.
26
∑ 𝐹
𝑥= m ∗ 𝑎
𝑥[3] Dónde:
∑ 𝐹𝑥: Sumatoria de fuerzas
m: Masa del cuerpo
𝑎𝑥: Aceleración
2.18.1. CLASES DE OSCILACIONES AMORTIGUADAS
A continuación se muestra el análisis físico de distintas clases o tipos de oscilaciones amortiguadas, más comunes en las estructuras y elementos mecánicos.
2.17.1.1 Amortiguamiento débil
Cuando la fuerza disipativa es pequeña en comparación con la fuerza de restitución, el carácter oscilatorio del movimiento se conserva pero la amplitud de la vibración disminuye con el tiempo y, finalmente el movimiento cesará. Este sistema se conoce como oscilador su amortiguado. En el movimiento con una constante de resorte y una partícula masiva dadas, las oscilaciones se amortiguan con más rapidez a medida que el valor máximo de la fuerza disipativa tiende al valor máximo de la fuerza de restitución. La solución de la ecuación diferencial del movimiento es la expresada anteriormente.
2.17.1.2 Amortiguamiento crítico
Si el amortiguamiento del oscilador aumenta suficientemente, puede llegar a alcanzar un valor crítico bc, tal que bc = 2mo; entonces, de acuerdo con la
27 Evidentemente, en estas condiciones no hay oscilaciones y el oscilador regresará a la posición de equilibrio sin rebasarla o, a lo más, rebasándola una sola vez. La condición de b = 2mo se conoce con el nombre de
amortiguamiento crítico. En este caso, la solución de la ecuación diferencial es de la forma(Vargas, 2003).
𝑥 = (𝐴
0+ 𝐴
1𝑡)𝑒
−𝑏∗𝑡
2𝑚 [4]
Dónde:
x: Desplazamiento
Ao y A1: son dos constantes de integración, que pueden expresarse en
función de las condiciones iniciales, esto es, de la posición xo y de la
velocidad vo de la partícula en el instante inicial:
𝐴
0= 𝑥
0𝐴
1= 𝑉
0+
𝑏2𝑚
𝑥
0 [5] 2.17.1.3 Sobre amortiguamientoEl sobre amortiguamiento se presenta cuando b > 2mo. Entonces de
acuerdo con la definición de la frecuencia angular de las oscilaciones amortiguadas, será imaginaria. En estas condiciones es evidente que no habrán oscilaciones, y la partícula regresará a la posición de equilibrio sin rebasarla o rebasándola una vez a lo sumo. Para unas condiciones iníciales dadas (XO, VO), cuanto mayor sea el amortiguamiento más tiempo empleará
el sistema en quedar en reposo en la posición de equilibrio.
28 Los bancos de pruebas o de ensayos de sistemas de suspensión y resortes helicoidales en su mayoría sus elementos estructurales son confeccionados con aceros de grandes prestaciones físicas y mecánicas, debido a que estas máquinas son diseñadas para largos periodos de vida útil y tiene la responsabilidades lidiar con grandes y oscilantes cargas mecánicas, ofreciendo seguridad a los practicantes de estas pruebas. Los aceros que se utilizan en estas máquinas también posen importan resistencia a la corrosión y a diversos agentes externos que pudieran atentar contra la seguridad estructural de estas máquinas. Independientemente de las características anticorrosivas y protectoras de las pinturas que se le aplican a los bancos de prueba. Los aceros que la compones tiene propiedades antioxidantes, debido a los distintos tipos de tratamientos termo mecánicos que reciben estos haceros.
2.19. SIMULACIÓN COMPUTARIZADA DE ESTRUCTURAS
MECÁNICAS EN AUTODESK INVENTOR.
Inventor como parte de los productos de la familia de Autodesk nos ofrece herramientas para el diseño CAD, control, diseño y automatización de procesos. El software está catalogado como una de las mejores herramientas en el mundo para el diseño, simulación y control.
Autodesk® Inventor® proporciona un conjunto exhaustivo de herramientas de CAD de mecánica 3D para producir, validar y documentar prototipos digitales completos. El modelo de Inventor es un prototipo digital 3D. El prototipo ayuda a visualizar, simular y analizar el funcionamiento de un producto o una pieza en condiciones reales antes de su fabricación. Esto ayuda a los fabricantes a acelerar la llegada al mercado utilizando menos prototipos físicos y a crear productos más innovadores.
29 herramientas para poder pasar esos bocetos en 2D a 3D. Dentro de todas sus herramientas nos ofrece animaciones de movimientos, simulaciones de diferentes tipos de cálculos.
Más adelante se describe las características de las herramientas que ofrece el programa. Unas de los tópicos a considerar es el momento de abordar un tema acerca de un software de diseño es que como parte de la Universidad que existen versiones que pueden introducirnos al manejo del software y que no está limitado a tener una licencia para poder aprender de la funcionalidad que el software nos pueda ofrecer.
2.19.1. PRINCIPALES OPERACIONES DE AUTODESK INVENTOR
Inventor es una mezcla de herramientas de diseño en 2D que nos ayuda en el diseño 3D. Dentro de las principales funciones de software son:
1. Pre visualización de piezas 2. Pre visualización de ensamblajes
3. Presentación de los procesos de armado, de los ensamblajes
4. Creación de planos automáticos tanto de archivos de pieza como de archivos de ensamble.
5. Renderizaciones que nos ayudan a tener una perspectiva más clara de los diseños y futuros productos.
6. Simulación de los elementos expuestos a condiciones casi reales de funcionamiento. Tales como análisis de esfuerzos, análisis de estructuras, simulación dinámica, creación de rutas de tuberías.
30
3. METODOLOGÍA
Estos elementos de máquinas denominados muelles o resortes helicoidales poseen una alta representatividad en el mundo del automovilismo ya que son los encargados de absorber las vibraciones mecánicas propias del desplazamiento del automóvil y de sus elementos móviles. Por estas razones es de vital importancia garantizar la correcta funcionalidad y explotación de este componente, que ofrece seguridad, confort y control en los procesos de conducción de los autos. Dado lo anteriormente expuesto, este trabajo de titulación despliega los procesos de diseño y simulación de un banco de prueba, con la finalidad de precisar el estado o nivel de operatividad de los resortes o muelles helicoidales de la suspensión de un vehículo ligero.
Como propósito general de este trabajo está, el diseñar y simular un banco de pruebas para determinar el estado de funcionabilidad de los resortes helicoidales para suspensión de un vehículo. En el proceso de diseño se propone un material de acero como elemento constructivo de este banco de prueba debido a los esfuerzos que se desarrollaran en ella. En el siguiente capítulo de precisa específicamente el tipo de acero sus característica y el porqué de su selección. De este modo se definirán las características de sistemas tales como los mecanismos de accionamiento, el sistema de transmisión de movimiento y el sistema de transmisión de datos de esta máquina o banco de pruebas.
Para ello se desarrollaran una serie de pasos o procedimientos. Inicialmente se declaran los requisitos de diseño de los bancos de pruebas de sistemas de suspensión. Luego se procederá al desarrollo de una propuesta de diseño general. Después de este punto se procede al desarrollo de las características constructivas de la máquina, empleando la herramienta de dibujo asistido por computadora denominada Autodesk Inventor.
31 programas de diseño asistido por computadora como SolidWorks, Pro/ENGINEER, CATIA y Solid Edge. Entró en el mercado en 1999, muchos años después que los antes mencionados y se agregó a las Series de Diseño Mecánico de Autodesk como una respuesta de la empresa a la creciente migración de su base de clientes de diseño mecánico en dos dimensiones hacia la competencia, permitiendo que los computadoras personales ordinarias puedan construir y probar montajes de modelos extensos y complejos.
Autodesk Inventor se basa en técnicas de modelado paramétrico. Los usuarios comienzan diseñando piezas que se pueden combinar en ensamblajes. Corrigiendo piezas y ensamblajes pueden obtenerse diversas variantes. Como modelador paramétrico, no debe ser confundido con los programas tradicionales de CAD. Inventor se utiliza en diseño de ingeniería para producir y perfeccionar productos nuevos, mientras que en programas como AutoCAD se conducen solo las dimensiones. Un modelador paramétrico permite modelar la geometría, dimensión y material de manera que si se alteran las dimensiones, la geometría actualiza automáticamente basándose en las nuevas dimensiones. Esto permite que el diseñador almacene sus conocimientos de cálculo dentro del modelo, a diferencia del modelado no paramétrico, que está más relacionado con un “tablero de bocetos digitales”. Inventor también tiene herramientas para la creación de piezas metálicas.
32 ventaja de este diseño es que todos los bocetos y las características se pueden corregir más adelante, sin tener que hacer de nuevo la partición entera. Este sistema de modelado es mucho más intuitivo que en ambientes antiguos de modelado, en los que para cambiar dimensiones básicas era necesario generalmente suprimir el archivo entero y comenzar de cero. Como parte final del proceso, las partes se conectan para hacer ensamblajes. Los ensamblajes pueden consistir en piezas u otros ensamblajes. Las piezas son ensambladas agregando restricciones entre las superficies, bordes, planos, puntos y ejes. Por ejemplo, si uno coloca un piñón sobre un eje, una restricción insertada podría agregarse al eje y el piñón haciendo que el centro del eje sea el centro del piñón. La distancia entre la superficie del piñón y del extremo del eje se puede también especificar con la restricción insertada. Otras restricciones incluyen Coincidencia, Nivelación, inserción (insertar), ángulo (ángulo), tangente (tangente), transicional, movimiento, sistema de coordenadas de usuario. Este método de modelado permite la creación de ensamblajes muy grandes y complejos, especialmente porque los sistemas de piezas pueden ser puestos juntos antes de que se ensamblen en el ensamblaje principal; algunos proyectos pueden tener muchos sub-ensamblajes parciales.
Inventor utiliza formatos específicos de archivo para las piezas (.IPT), ensamblajes (.IAM), vista del dibujo (.IDW y .DWG) y presentaciones (IPN), pero el formato del archivo de AutoCAD .DWG puede ser importado/exportado como boceto.
33 eficiente. Su combinación con Autodesk Vault y Autodesk 360 la hacen líder en el mercado del diseño mecánico.
Disponible en dos "modelos": Autodesk Inventor Series (AIS) y Autodesk Inventor Profesional (AIP) El AIS incluye todas las herramientas que modelan paramétricas básicas. Estas herramientas incluyen las herramientas de la creación de la pieza, del ensamble, del dibujo y de presentaciones; herramientas de la lámina metálica; conjuntos soldados; creación, manipulación, y herramientas de reparación de superficies; e inventor Studio. El AIS también provee del usuario la capacidad de utilizar AutoCAD, AutoCAD software de escritorio mecánico, y de Autodesk y software de PDM. Como parte de su estrategia empresarial, Autodesk lanza las llamadas SUITES que incluyen variedad de productos entre los que se encuentran 3DStudio, Showcase, Navisworks, Publisher y tantos otros dependiendo de la suite.
34
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
En este capítulo se realiza el diseño de y la simulación del banco de pruebas de resortes helicoidales, considerando los pertinentes criterios de diseño y operación que caracteriza a estas máquinas.
4.1. REQUERIMIENTOS DE DISEÑO DEL BANCO
35
Figura 14. Flujo de diseño del banco de estudio. (LOZADA, 2001)
En el proceso de diseño como primera interrogante es la forma de la estructura en donde se colocará el sistema de suspensión ya que se ha partido de un elemento ya establecido, la estructura debe ser de acero con la utilización de una plancha, la estructura debe de estar diseñada para soportar la carga de todos los elementos de la suspensión y al funcionamiento del mismo lo cual es lo más importante para evitar que las vigas se tiendan a pandear o flexionar el momento que funcione el mismo. Por otra parte el diseño debe de estar de tal forma que alberge a todos los elementos involucrados en el banco como ya antes se mencionó como son elementos mecánicos, electrónicos, sistemas de control, etc. Y también debe facilitarnos el montaje y desmontaje de los elementos de la suspensión y los elementos mecánicos y electrónicos para el funcionamiento del banco.
4.2. PROPUESTA DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA BASICA
36 de los elementos y qué cantidad de elementos conformaran el banco de pruebas. Esta estructura de acero debe de ser de construcción resistente con la capacidad de soportar los esfuerzos y cargas que se las aplique en el sistema de suspensión. En si como se ha mencionado las dimensiones del mismo las cuales depende de los elementos que se colocan en la máquina de ensayó, pero su diseño puede ser utilizado en todas las propuestas que se genera para los elementos que estarán dentro de el por lo que la estructura que se ha planteado para el banco es de un diseño simple pero eficiente en donde se puede colocar todos los elementos que se considera necesarios para su funcionamiento. La figura 15 y 16 muestra dos vistas de las dimensiones básicas de la estructura que se diseñara. Estas son las dimensiones generales recomendadas en máquinas de ensayos para resortes y otros elementos de la suspensión de vehículos.
37
4.2.1 CÁLCULO DE FUERZAS Y RESISTENCIAS DEL EQUIPO
Figura 16. El cilindro o pistón de empuje encargado de transmitir las oscilaciones mecánicas al elemento a ensayar en la máquina.
Analizando las fuerzas involucradas en la maquina podemos destacar que el pistón en su carrera de compresión sobre el resorte ejerce una fuerza igual modularmente pero en sentido contrario a la que genera el resorte al oponerse a la deformación. Esta acción y reacción de fuerzas está sustentada por la tercera ley Newtoniana. En el otro extremo del resorte; la fuerza que ejerce este sobre la mesa de sujeción es igual a la fuerza normal que se genera en la superficie de la mesa de sujeción. Principio sustentado por la tercera ley Newtoniana.
∑ 𝐹𝑦 = 0 [6]
Dónde:
38
𝐹𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛−𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟𝑡𝑒+ 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟𝑡𝑒−𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛 = 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟𝑡𝑒−𝑚𝑒𝑠𝑎 + 𝐹𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 = 0 [7]
Dónde:
𝐹𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛−𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟𝑡𝑒: Fuerza que ejerce el pistón sobre el resorte.
𝐹𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟𝑡𝑒−𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛: Fuerza que ejerce el resorte sobre el pistón.
𝐹𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟𝑡𝑒−𝑚𝑒𝑠𝑎: Fuerza que ejerce el resorte sobre la mesa de sujeción.
𝐹𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙: La fuerza normal, es la fuerza de reacción que se ejerce sobre el
resorte, por parte de la mesa.
Como queda demostrado en el análisis en eje vertical las fuerzas están equilibradas en cada uno de los extremos del resorte.
4.2.2 MATERIAL SELECCIONADO PARA EL DISEÑO DEL
BANCO DE PRUEBA
39
Tabla 1.Características y propiedades mecánicas a la tensión de los aceros más comunes en la construcción estructural de máquina.
1 2 3 4 5 6 7 8
Norma Rusa Norm a USA Procesamient o Resis tencia MPa Resistenci a de fluencia MPa Elongació n en 4 cm.
%
Reducció n de área
Durez a Brinel l G1006 0
1006 HR 300 170 30 55 86
G1010 0
1010 CD 365 280 20 45 105
G1015 0
1015 HR 320 180 28 50 95
G1018 0
1018 CD 370 300 20 40 105
G1020 0
1020 HR 340 190 28 50 101
G1030 0
1030 CD 390 320 18 42 111
G1035 0
1035 HR 400 220 25 50 116
G1040 0
1040 HR 440 370 15 40 126
G1045 0
1045 CD 380 210 25 55 111
(Carvajal Vinocuna & Zurita Coronel, 2005)
Otras propiedades del acero seleccionado se muestran en los siguientes sub epígrafes.
4.2.3 COMPROBACION DE LA RESISTENCIA DEL EQUIPO
Aplicando la ecuación de resistencia a la tracción de los materiales se comprobó la fiabilidad del material seleccionado, de acuerdo a las siguientes operaciones𝝈𝒚 = 𝐅
𝐀 [8]
Dónde:
F: Fuerza tracción
A: Área transversal
40
F= 550kg
A= 25 x 10 = 250 𝑚𝑚2
𝝈𝒚 =
550 kg
250𝑚𝑚2
𝝈
𝒚=
2.2 kg 𝑚𝑚2│
9,8N 𝑘𝑔
│
106𝑚𝑚2 𝑚2
│
365𝑥106𝑁 𝑚2
𝝈𝒚 =
21560000
𝑁
𝑚
2𝝈𝒚 = 21,56MP
Comparando con el esfuerzo ultimo del material que es de 365MP seleccionado de la Tabla 2, se determina que hay un factor de seguridad de 17, por lo tanto el material está por encima del valor de falla.
4.2.4 MODELADO DEL EQUIPO EN UN PROGRAMA CAD
41
Figura 1715. Diseño tridimensional desarrollado en Inventor 2014 del banco de pruebas. (Vista 1)
42
Figura 1917. Diseño tridimensional desarrollado en Inventor 2014 del banco de pruebas. (Vista 3)
43
Figura 2119. Diseño tridimensional desarrollado en Inventor 2014 del banco de pruebas. (Vista 5)
Figura 22. Diseño tridimensional desarrollado en Inventor 2014 del banco de pruebas. (Vista 6)
44 los elementos del sistema de suspensión y demás elementos de accionamiento y de control independientemente cual fuere estos de una forma accesible y fácil de realizar. Luego de establecido este diseño de la estructura básica lo que se necesita es establecer la forma en la que se realizará la sujeción de la suspensión al banco para poder ejercer el movimiento de excitación hacia el sistema, el soporte en donde se colocaría la suspensión debe de mantenerla firme.
El esquema que se estableció esta adecuada a la forma de la estructura principal ya que en esta “mesa” así por llamarle es la que debe de soportar y mantenerla firme a todo el conjunto. El tipo de soporte que se estableció es el siguiente el cual se muestra en la figura 22.
45 En la figura 23 se muestra resaltado en azul la barra cilíndrica del pistón de empuje del banco de pruebas, el cual tiene la responsabilidad de transmitir las oscilaciones al elemento a ensayar en este banco de pruebas.
Figura 24. El cilindro o pistón de empuje encargado de transmitir las oscilaciones mecánicas al elemento a ensayar en la máquina.
46
4.3. DENSIDAD
La mayoría de los aceros comerciales tienen una densidad de aproximadamente 1720 kg por metro cubico, como es el caso del acero 1010. Esta es la razón de acero densidad es muy usada en la industria de la construcción, ya que su medición de peso-volumen significa que seguirá siendo fuerte y estable durante la construcción.
4.3.1. TRATAMIENTO TÉRMICO
La mayoría de los aceros tienen una cantidad de manganeso en la mezcla también. Aunque esto añade varias propiedades, la principal ventaja es la capacidad de hot-metal en rollos sin rajarse. Desde 1010 de acero tiene un bajo contenido manganeso, es laminado en frío. El bajo contenido de manganeso es la razón de 1.010 de acero se utiliza para partes del cuerpo, en lugar de los paneles de la carrocería coches más grandes.
4.3.2. LA MALEABILIDAD Y DUCTILIDAD
La maleabilidad se refiere a lo fácil que es transformar la hoja de metal, mientras que la ductilidad se refiere a la facilidad de convertirlo en cables. Cold Steel Drawn 1010 extiende el 20 por ciento con relación de 0,27 de Poisson. Esto significa que este tipo de acero se extiende en lugar de aplanar, por lo que tiene una mejor ductilidad que maleabilidad, lo que hace que sea un material ideal para la fabricación de pernos y sujetadores de metal.
4.3.3. TRABAJABILIDAD
47 soldar. Tiene una calificación de mecanizado del 55 por ciento, que es superior a la media.
4.3.4. FUERZA
Cuanto menor sea el contenido de carbono, menor es la resistencia del acero. Como acero 1010 tiene el más bajo contenido de carbono, es el más débil en términos de resistencia a la tracción y límite elástico, es por eso que no se utiliza en todas las aplicaciones de soporte de carga. Su resistencia a la tracción es de aproximadamente 365 MPa, y tiene un límite elástico de 305 megapascales.
4.3.5. DUREZA
En los metales, la dureza se refiere a la facilidad con que un material puede ser abollado en vigor. La dureza del acero 1010 es de 105 HB, según la escala de dureza Brinell. Esta es más baja que en otros tipos de acero que tienen un alto contenido de carbono, y es por este acero 1010 se utiliza para piezas específicas en lugar de los componentes estructurales.