Diseño y construcción de un kart con especificaciones cik-fia para la implementación de un sistema electromotriz plug-in en el sistema de tren de rodaje

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN KART CON

ESPECIFICACIONES CIK-FIA PARA LA IMPLEMENTACIÓN

DE UN SISTEMA ELECTROMOTRIZ PLUG-IN EN EL SISTEMA

DE TREN DE RODAJE

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

LUIS ALEJANDRO CISNEROS MOYA

DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 1722644018

APELLIDO Y NOMBRES: Cisneros Moya Luis Alejandro

DIRECCIÓN: Tapi N12 54 y Haití

EMAIL: [email protected]

TELÉFONO FIJO: 022957871

TELÉFONO MOVIL: 0984350107

DATOS DE LA OBRA

TITULO:

Diseño y construcción de un Kart con especificaciones CIK-FIA para la implementación de un sistema electromotriz plug-in en el sistema de tren de rodaje

AUTOR O AUTORES: Luis Alejandro Cisneros Moya

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

Edwin Tamayo

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz

RESUMEN: Mínimo 250 palabras La tesis “ Diseño y construcción de un

Kart con especificaciones CIK-FIA para la implementación de un sistema electromotriz plug-in en el sistema de tren de rodaje “ se realizó en base a la investigación de los diferentes materiales con los que se construyó la estructura tubular que soportó los diferentes esfuerzos; y la soldadura adecuada para la construcción, donde también se investigó los diferentes tratamientos del acero puesto que estos ayudan a mejorar sus diferentes propiedades , los tratamientos del acero es importante al momento de construir una estructura debido a que determina la resistencia de los materiales y por ende brindan la seguridad adecuada al piloto u ocupante. Se detalló los diferentes elementos que constituyen un Kart base los cuales deben ser regularizados por la normativa, por otro lado se detalla sobre la

electromotriz plug-in en el sistema de tren de rodaje.

PALABRAS CLAVES: Kart, Estructura, CIK-FIA

ABSTRACT: The thesis "Design and construction of a Kart specifications CIK-FIA for implementing an

electromotive system plug-in system

undercarriage" It was made based on

the research of different materials with which

the tubular structure was built that endured

the various efforts; and suitable welding for

construction, where different treatments steel

was also investigated as these help improve

its various properties, the treatments of the

steel is important at the moment of building

a structure because it determines the

strength of materials and thus provides

adequate security to the pilot or occupant.

The different elements that constitute a basis

Kart were detailed which must be regularized

by the legislation, on the other hand the

investigation of the calculations for the

structure to resist the different efforts were

detailed, with the same calculations that were

detailed and researched is explained how

could determine the distribution the weights

along the tubular structure Kart, it just goes to

show that weight with more influence is the

pilot , the seat Kart was started according to

the needs of the pilot because this secures

the Kart center of gravity and this depends

on the force that must withstand the different

points of Kart. Part of structure design was

based on the regulations was a great help

when designing a structural plane that acted

the help of the program INVENTOR it was

estimated by through simulations the

resistance of the tubular structure,

displacement and tension which could shape

the plane previously designed; thus resulting

in the construction of the tubular structure

then the different elements that have a Kart

were assembled, At the end of this was

performed the implementation of the

electromotive system plug-in in the

undercarriage system.

KEYWORDS Kart, structure, CIK-FIA

DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN

Yo, CISNEROS MOYA LUIS ALEJANDRO, CI 1722644018 autor del proyecto titulado: Diseño y construcción de un Kart con especificaciones CIK-FIA para la implementación de

un sistema electromotriz plug-in en el sistema de tren de rodaje 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.

DECLARACIÓN

Yo LUIS ALEJANDRO CISNEROS MOYA, 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.

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y construcción de un Kart con especificaciones CIK-FIA para la implementación de un sistema electromotriz plug-in en el sistema de tren de rodaje”, que, para

aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Alejandro Cisneros, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.

DEDICATORIA

AGRADECIMIENTO

El presente trabajo agradezco a mis padres Marcelo Cisneros y Maritza Moya por haberme brindado incondicionalmente su apoyo tanto moral como económico para seguir estudiando y así lograr un objetivo trazado para tener un mejor futuro y así ser un orgullo para ellos y para toda la familia.

A la Universidad Tecnológica Equinoccial, alma mater de la ciencia y tecnología por haberme formado para un futuro como Ingeniero Automotriz. De igual manera a los docentes de que conforman la Universidad Tecnológica Equinoccial de manera especial al Ingeniero Edwin Tamayo puesto que él fue la persona que me guio para realizar el presente trabajo.

Agradezco también a todos mis amigos con los que he cruzado este largo tiempo de estudio los cuales siempre han estado en todos los momentos incondicionalmente.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

RESUMEN ... viii

ABSTRACT ... ix

1. INTRODUCCION ... 1

2. MARCO TEÓRICO ... 3

2.1 CIK-FIA ... 3

2.1.1 TAREAS DE LA CIK-FIA ... 3

2.2 CHASIS ... 4

2.2.1 CARACTERÍSTICAS DEL KART ... 4

2.2.1.1 Chasis ... 4

2.2.1.2 Dirección. ... 5

2.2.1.3 Llantas ... 9

2.2.1.4 Neumático ... 10

2.2.1.5 Sistema motriz ... 11

2.2.1.6 Corona ... 12

2.2.1.7 Frenos ... 14

2.2.1.8 Asiento ... 14

2.2.1.9 Protecciones ... 15

2.3 MATERIALES ... 16

2.3.1 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ... 16

2.3.1.1 Propiedades físicas de los materiales ... 16

2.3.1.2 Propiedades mecánicas de los materiales ... 18

2.3.2 NORMAS DE LA TÉCNICA DEL METAL ... 19

2.3.2.1 Normas DIN ... 19

2.3.2.2 Normas Europeas de la CE (Comunidad Europea) ... 20

ii

2.3.2.4 Normas EN o DIN EN de la UE ... 20

2.4 SOLDADURA DE METALES ... 20

2.4.1 TIPOS DE SOLDADURA DE METALES ... 21

2.4.1.1 Suelda TIG ... 21

2.4.1.2 Suelda MIG/MAG ... 26

2.4.1.3 Soldadura por contacto ... 30

2.5 CONCEPTO DE LA RIGIDEZ ... 32

2.5.1 CONCEPTO SOBRE EL MOVIMIENTO ... 33

2.5.2 RESISTENCIA AL AVANCE ... 35

2.5.2.1 Resistencia a la rodadura ... 35

2.5.2.2 Resistencia aerodinámica ... 36

2.5.2.3 Resistencia de pendiente ... 36

2.5.3 MARCHA DE LOS VEHÍCULOS ... 37

2.5.3.1 Reparto de cargas entre ejes ... 37

2.5.3.2 Reparto de cargas en el Kart ... 38

2.5.3.3 Dinámica de frenado ... 40

2.5.3.4 Dinámica mínima de frenado ... 40

2.5.3.5 Interacción entre ruedas y pavimento en curvas ... 41

2.5.3.6 Curva sin peralte ... 41

2.5.3.7 Curva con peralte ... 42

2.5.3.8 Estabilidad de un vehículo ... 42

2.5.3.9 Cálculos de los esfuerzos en el chasis. ... 43

3. METODOLOGÍA ... 47

4. ANÁLISIS Y RESULTADOS ... 49

4.1 DISEÑO ... 49

4.1.1 NORMATIVA CIK-FIA ... 50

4.1.1.1 Notación de Kart ... 50

4.1.1.2 Seguridad ... 51

iii

4.1.1.4 Marco ... 52

4.1.1.5 Descripción de las piezas ... 52

4.1.1.6 Carrocería ... 54

4.1.1.7 Transmisión ... 54

4.1.1.8 Correa de transmisión ... 54

4.1.1.9 Suspensión ... 55

4.1.1.10 Frenos ... 55

4.1.1.11 Dirección ... 55

4.1.1.12 Asiento ... 55

4.1.1.13 Pedales ... 55

4.1.1.14 Clasificación de los Karts ... 55

4.1.2 ESQUEMAS ... 56

4.2 CÁLCULOS ... 57

4.2.1 RESISTENCIA A LA RODADURA ... 58

4.2.2 RESISTENCIA AERODINÁMICA ... 58

4.2.3 RESISTENCIA A LA PENDIENTE ... 63

4.2.4 CÁLCULOS DE LOS ESFUERZOS DEL CHASIS ... 65

4.2.4.1 Cálculo de la inercia de las ruedas ... 65

4.3 CONSTRUCCIÓN ... 76

4.4 ANALISIS DEL RESULTADO ... 79

4.4.1 COMPARACIÓN DE PESOS DE LOS MOTORES ... 81

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 83

5.1 CONCLUSIONES ... 83

5.2 RECOMENDACIONES ... 84

BIBLIOGRAFÍA ... 85

iv

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Composición del acero 4130 ... 5

Tabla 2. Propiedades mecánicas del acero 4130 ... 5

Tabla 3. Especificaciones para soldar ... 29

Tabla 4. Coeficiente de resistencia a la rodadura ... 35

Tabla 5. Cálculo de la resistencia al aire ... 60

Tabla 6. Cálculo resistencia a la pendiente ... 63

Tabla 7. Parámetros para calcular ... 66

Tabla 8. Fuerzas con aceleración igual a cero ... 67

Tabla 9. Fuerzas en el Chasis ... 71

Tabla 10. Tensión en la estructura ... 72

Tabla 11. Desplazamiento ... 74

Tabla 12. Resultados de los estudios ... 75

v

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Volante de kart sencillo ... 6

Figura 2. Columna de dirección ... 8

Figura 3. Ángulos de convergencia y divergencia ... 8

Figura 4. Varillas de dirección ... 9

Figura 5. Manguetas ... 9

Figura 6. Llantas de un Kart ... 10

Figura 7. Dimensiones de la rueda ... 11

Figura 8. Eje de transmisión... 12

Figura 9. Corona sujeta al eje de transmisión ... 13

Figura 10. Cadena, corona y piñones ... 13

Figura 11. Disco de freno y mordazas ... 14

Figura 12. Asiento de Kart ... 15

Figura 13. Kart con sus protecciones ... 15

Figura 14. Suelda TIG ... 21

Figura 15.Grafico de tipos de Corriente ... 22

Figura 16. Afilado del electrodo ... 24

Figura 17. Aspecto de soldadura con el gas Argón ... 24

Figura 18. Distancias entre electrodo y pieza ... 25

Figura 19. Angulo de inclinación de entre 0 a 15 grados ... 26

Figura 20. Esquema de la suelada MIG/MAG ... 27

Figura 21. Equipo de suelda MIG/MAG ... 28

Figura 22. Modos de transferencia ... 28

Figura 23. Soldadura por contacto ... 30

Figura 24. Zona lenticular ... 31

Figura 25. Esquema de las fuerzas aplicadas en el chasis ... 33

Figura 26. Diagrama de influencia de la masa ... 34

Figura 27. Diagrama dinámica longitudinal ... 39

Figura 28. Diagrama de la dinámica de frenado de un vehículo ... 40

vi

Figura 30. Diagrama de fuerzas de un kart longitudinalmente ... 44

Figura 31. KART ... 50

Figura 32. Chasis de un Tony Kart ... 52

Figura 33. Esquema de la estructura tubular (Anexo 1) ... 56

Figura 34. Esquema vista lateral de la estructura tubular (Anexo 2) ... 57

Figura 35. Esquema vista superior de la estructura tubular ... 57

Figura 36. Plano vista superior de la estructura tubular ... 59

Figura 37. Resistencia aerodinámica Cx1 ... 62

Figura 38. Resistencia aerodinámica Cx2 ... 62

Figura 39. Grafica de resistencia a la pendiente ... 64

Figura 40. Diagrama de fuerzas ... 66

Figura 41. Diagrama del eje delantero vista frontal ... 68

Figura 42. Diagrama eje delantero vista lateral ... 68

Figura 43. Diagrama del eje trasero vista frontal ... 69

Figura 44. Diagrama del eje trasero vista lateral ... 70

Figura 45. Estructura tubular aplicada fuerza ... 71

Figura 46. Tensión en la estructura tubular ... 72

Figura 47. Desplazamiento de la estructura ... 73

Figura 48. Factor de seguridad de la estructura tubular ... 75

Figura 49. Acero 4130 ... 76

Figura 50. Corte Perfilado ... 77

Figura 51. Dobladora de tubos ... 77

Figura 52. Tubos cortados y doblados ... 78

Figura 53. Soldadura Tig ... 78

Figura 54. Soporte eje trasero... 79

Figura 55. Chasis Normado CIK-FIA ... 79

Figura 56. Estructura con los elementos del Kart ... 80

vii

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

ANEXO 1

Plano de la estructura tubular………87

ANEXO 2

Altura de la estructura tubular………89

ANEXO 3

viii

RESUMEN

ix

ABSTRACT

1

1. INTRODUCCION

El proyecto que se va a realizar tiene como propósito el de diseñar y construir un Kart base, el cual está conformado por una estructura tubular la cual será el chasis del kart en donde se acoplan los elementos principales y auxiliares de una Kart, esta estructura base tendrá que regirse a las especificaciones CIK-FIA (Comisión Internacional de Karting-Federación Internacional del automovilismo) ya que esta institución es la que normaliza, estandariza las diferentes estructuras para los Karts (CIK-FIA, 2016).

Durante el tiempo que se realice este proyecto se tendrá que investigar, seleccionar los materiales para la posterior construcción del chasis ya que este es la base del Kart.

Una vez seleccionados los materiales para la construcción se dará paso al diseño de la estructura base en donde se guiará de las homologaciones que se encuentran en la CIK-FIA, se escogerá el chasis que se va a construir y se procederá a realizar los planos del chasis el cual es el Kart base.

Terminado el diseño de los planos del chasis se procederá a realizar los análisis y cálculos de la estructura, ya que el mismo va a estar sometido a diferentes esfuerzos, este análisis de la estructura se lo realizará con la ayuda de un software el cual analizará los diferentes esfuerzos al que es sometido el chasis.

Una vez construido el chasis y sabiendo que cumple las diferentes normas CIK-FIA se dará paso al montaje de los diferentes elementos que conforman un Kart, arrojando así los diferentes resultados en el diseño y construcción de un Kart base.

2 Por lo que se ha visto necesario realizar esta tesis se concentra en el diseño y construcción de un Kart base el cual es un trabajo de ingeniería, en este se realizará el estudio de los diferentes esfuerzos a los cuales es sometido el chasis, y se determinará el tipo de material que se utilizará apegándose a las normas CIK-FIA, una vez construido esto se dará paso a la implementación del sistema electromotriz plug-in dando así una solución al problema.

3

2. MARCO TEÓRICO

En este capítulo se investigará los conceptos y fundamentos que tendrá la tesis, se hablará del organismo de control CIK-FIA el cual va a servir como guía al momento del diseño y construcción del Kart, se tratará sobre el chasis que es la parte fundamental de esta investigación, se tratará de la soldadura ya que este es un proceso fundamental a la hora de la construcción de un chasis, se hablará de los diferentes materiales que se puede encontrar en un vehículo, y de cuáles son los más adecuados para conformar un chasis, también se tratará sobre los diferentes tratamientos de los aceros para ver cuáles son las mejoras que obtienen después de un tratamiento y cuáles son las aplicaciones que pueden tener en un chasis, se darán las características de un Kart y se dará a conocer los conceptos para realizar los cálculos de los diferentes esfuerzos a los que un chasis está sometido.

2.1 CIK-FIA

La comisión Internacional de Karting (CIK) es una de las comisiones deportivas de la Federación Internacional del Automóvil (FIA).

Los objetivos de la CIK-FIA son desarrollar, promover, coordinar, promover y regular todas las actividades del Karting en todo el mundo, haciendo valer los principios promulgados por la Federación Internacional del Automóvil.

2.1.1 TAREAS DE LA CIK-FIA

La CIK-FIA tiene como principales tareas las de elaborar propuestas y presentarlas al consejo mundial con el objetivo de:

 Asegurar la unidad de las actividades del Karting y defender de los intereses tanto material como moral, del Karting en todo el mundo;

4

 Permitir y fortalecer las acciones y servicios de las autoridades nacionales deportivos en el ámbito de Karting;

 Hacer cumplir los reglamentos internacionales y técnicos en lo que respecta al karting;

 Realizar calendarios internacionales de eventos y reuniones;

 Establecer reglas para cualquier equipo y material utilizado en la práctica del Karting así como los lugares utilizados para la práctica.

2.2 CHASIS

Hasta 1927, la carrocería y los bastidores o chasises se fabricaban por separado y luego se atornillaban lo que se conocía como carrocería con chasis independiente. Después de la primera guerra mundial el señor Edward Budd invento una prensa la cual era capaz de ejercer una gran presión sobre las hojas de acero, esta era capaz de fabricar aletas, capos, suelos etc. Las piezas de acero se soldaban para conseguir una estructura ligera, fuerte y resistente, así se evitaba los ruidos molestos de los vehículos de esos tiempos, estos eran los principios de las carrocerías autoportantes (CIK-FIA, 2016).

2.2.1 CARACTERÍSTICAS DEL KART

2.2.1.1 Chasis

El chasis que se va a construir tiene tubos de aleación de cromo-molibdeno de 30 mm de diámetro, este es el chasis que soportará las partes principales y auxiliares del mismo.

5 más populares aleaciones de acero por su buena maleabilidad y simplicidad en soldar junto con excelentes propiedades mecánicas. Como se muestra en la tabla 1 y en la tabla 2 la composición y las propiedades del acero que se va a utilizar.

Tabla 1. Composición del acero 4130 Grado

(SAE) % Cr % Mo % C % Mn

% P

(máx.)

% S

(máx.) % Si

4130 0.80-1.10 0.15-0.25 0.28-0.33

0.40-0.60 0.035 0.040

0.15-0.35

Tabla 2. Propiedades mecánicas del acero 4130

Material Condición

Resistencia

a la tracción

(Mpa) Limite elástico (Mpa) Elongación en 2% Dureza Rokwell Acero 4130 Obtenido en frio normalizado

591-760 480-590 20-30 B 90-96

El acero 4130 puede soportar grandes tensiones antes de tener una deformación permanente, este acero es más caro que otro tipo de aceros y requiere ser soldado con suelda tipo TIG o MIG/MAG ya que con una soldadura con electrodo es más probable que aparezcan fisuras, y es el recomendado por las normas y el reglamento de la CIK-FIA.

2.2.1.2 Dirección.

6

 Volante.

Este es el primer componente de la dirección por el cual el conductor dirige la trayectoria del Kart. Se puede encontrar volantes sencillos o volantes con display donde el conductor se puede dar cuenta de los diferentes parámetros del kart como velocidad, combustible entre otras cosas. Existen de varios estilos eso dependerá del copiloto y del gusto que tenga al momento de elegir un volante, este no tiene un gran peso por lo que es de naja influencia al momento de realizar los cálculos se puede observar un volante sencillo en la figura 1 la cual hace referencia de un volante de un Kart se puede encontrar en algunos tipos de formas en el mercado.

Figura 1. Volante de kart sencillo

(Tony Kart, 2016)

 Columna o barra de dirección.

7 La barra de dirección no deber resultar limitada en ningún punto del giro y no debe estar excesivamente apretada. El volante se suele montar de forma que el radio perpendicular se ponga en el lado contrario al piloto. De esta manera no hay riesgo de daño con el volante en caso de un golpe y además, sirve de soporte al tacómetro.

El tornillo que sujeta el volante a la barra se debe colocar de arriba a abajo, para que en el caso en el que el la tuerca llegue a desprenderse, el tornillo no caiga. Las varillas de dirección admiten una graduación de longitud gracias a sus extremos roscados y las tuercas que lo limitan. Variando su longitud se puede modificar la convergencia o divergencia de las ruedas delanteras. La convergencia de cada rueda delantera se define como el ángulo que forma el plano de la rueda con el eje longitudinal del kart. Cuando forman un ángulo agudo (las ruedas se cierran hacia delante) existe una convergencia. Si las ruedas se abren se dice que hay divergencia. En circuitos con rectas largas las ruedas deben estar perfectamente paralelas ya que cualquier ángulo introduce un valor de resistencia al avance, pero en circuitos muy virados se puede reducir la tendencia al sub viraje poniendo una ligera divergencia. La convergencia se calcula midiendo las distancias entre ruedas tanto por su parte anterior como posterior. Es posible adquirir unas pequeñas barras que se acoplan a las manguetas en lugar de las ruedas y que permiten realizar una medida precisa. Si no se tienen, se puede colocar cualquier elemento plano contra las ruedas y manteniendo la barra de dirección recta, se miden con una cinta las distancias entre los dos elementos tanto por delante como por detrás de la rueda.

La diferencia entre las dos medidas indica la convergencia. Si la medida posterior es mayor que la anterior hay convergencia y, en contrario, divergencia.

8

Figura 2. Columna de dirección

(CGR, 2015)

En la figura 3 se observa los ángulos de convergencia y divergencia.

Figura 3. Ángulos de convergencia y divergencia

(Crouse, 2000)

 Varillas de dirección o bieletas.

9 o menor longitud determina el ancho de las ruedas y a través de ello el ángulo de giro. Como se observa en la figura 4.

Figura 4. Varillas de dirección

(Couse, 2000)

 Manguetas

Las manguetas son la unión entre las varillas de dirección y las ruedas delanteras, están acopladas a los soportes del bastidor. Como se observa en la figura 5.

Figura 5. Manguetas

(Crouse, 2000)

2.2.1.3 Llantas

10 de la llanta es sujetar al neumático y la función del disco es ir sujeto al vehículo en este caso el kart. Como se observa en la figura 6.

Figura 6. Llantas de un Kart (Tony Kart, 2013)

2.2.1.4 Neumático

El neumático es el elemento que mantiene el contacto del Kart con el pavimento está constituido de goma, la función del neumático es el de hacer contacto por adherencia y fricción, posibilitando el arranque, frenado y conducción del Kart.

11

Figura 7. Dimensiones de la rueda

(Domínguez, Ferrer, 2015)

2.2.1.5 Sistema motriz

El sistema motriz del Kart está conformado por el motor y la transmisión, dentro se encuentra el eje trasero, la corona, la cadena y el freno estos son elementos importantes del Kart ya que estos proporcionan el movimiento del Kart.

 Eje trasero

Este es el elemento de transmisión donde se colocan las ruedas motrices, el soporte único de frenos sin caja de cambios.

Este es un eje de acero hueco con un diámetro de 40 mm a 45 mm ya que estas son las medidas permitidas según la norma CIK-FIA para la categoría KZ2 o DD2 de chasis que se ha escogido para la construcción. Como se observa en la figura 8 (CIK-FIA 2016).

12

o El eje debe estar recto sin ningún tipo de torcedura.

o Debe estar centrado en el bastidor.

o Debe estar paralelo al chasis.

o Tiene que girar con facilidad sobre sus rodamientos.

o El eje debe estar perfectamente enclavado al chasis y en los puntos de rodamientos para que no sufra desplazamientos laterales en caso de un golpe o de tropo.

o El eje no debe trabarse al momento de movimiento.

o No debe existir ningún tipo de ruido.

o El eje es un elemento principal para la transmisión del movimiento.

Figura 8. Eje de transmisión

2.2.1.6 Corona

13

Figura 9. Corona sujeta al eje de transmisión

 Cadena

La cadena es el elemento que une a la corona con el piñón del motor, el largo de la cadena dependerá del tamaño de la corona, esta debe tener la longitud apropiada ya que no cuenta con templadores. Como se observa en la figura 10.

14

2.2.1.7 Frenos

Los frenos se utilizan para parar al kart. En la parte del eje de transmisión está situado un disco que es solidario con el eje y unas pastillas montadas en las mordazas de tal manera que al pisar el pedal del freno se consiga la fricción ente el disco y las pastillas haciendo que detenga el eje y a su vez detener al Kart. Como se observa en la figura 11.

Figura 11. Disco de freno y mordazas

(Tony Kart, 2016)

2.2.1.8 Asiento

15

Figura 12. Asiento de Kart

(Tony Kart, 2015)

2.2.1.9 Protecciones

Por seguridad del piloto se debe colocar una plancha de acero entre el asiento y el frontal del vehículo tal y como lo dice la norma. También se debe disponer de parachoques delantero y trasero, también se debe colocar parachoques laterales para proteger las extremidades del piloto, estos parachoques deben estar homologados con la carrocería. Como se puede observar en la figura 13 (CIK-FIA, 2015).

Figura 13. Kart con sus protecciones

16

2.3 MATERIALES

Los materiales elegidos para el uso del Kart deben ser seleccionados conociendo los requisitos de carga y de medio ambiente en los que deben trabajar.

Debe saberse que propiedades se deben tomar en cuenta cuáles son sus límites y servidumbres deben imponerse a su aplicación para una vez saber este tipo de propiedades dar paso a los cálculos de las diferentes fuerza a las cuales está sometida la estructura que será construida y las cuales deban seguir las normas de la normativa CIK-FIA.

2.3.1 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Los materiales tienen diferentes propiedades las cuales hacen que posea diferentes características se clasifican en propiedades físicas y mecánicas que estas a su vez se subdividen.

2.3.1.1 Propiedades físicas de los materiales

 Densidad

La densidad de un material se la expresa en masa por unidad de volumen. La densidad juega un papel fundamental en la resistencia específica y en la rigidez especifica de materiales y estructuras (Miguel Cervera, Elena Blanco, 2002).

 Punto de fusión

17 un metal está relacionada con el punto de fusión las operaciones como el recocido, el tratamiento térmico y el trabajo en caliente requieren conocer los puntos de fusión de los materiales involucrados. El rango de temperatura dentro de la cual una estructura se ha diseñado para funcionar es muy importante para la selección de los materiales. Los plásticos son los materiales con un punto de fusión más bajo (Kalpakjian, Schmid, 2002).

 Calor especifico

El calor especifico de un material es la energía requerida para elevar la temperatura para una unidad de masa en un grado, en las aleaciones tiene un efecto relativamente menor en el calor especifico de los materiales.

 Conductividad térmica

La conductividad térmica indica la tasa a la cual el calor fluye dentro y través de un material. Los materiales metálicos generalmente tienen una alta conductividad térmica mientras que los materiales con enlace iónico o covalente como la cerámica y el plástico tienen una mala conductividad térmica. Una baja conductividad térmica puede dar como resultado deformaciones no homogéneas cuando se trabaja con metales, esta es una de las propiedades más importantes para construir un vehículo ya que se debe saber cómo el material que se utiliza en la construcción puede conducir el calor y dar así un mejor enfriamiento a la estructura (José O, 2000).

 Dilatación térmica

18

 Propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas

La conductividad eléctrica y las propiedades dieléctricas de los materiales son de gran importancia no solo en maquinaria eléctrica sino también en el proceso de manufactura, tales como en el formado de pulsos magnéticos en el laminado de los metales y en el maquinado por electroerosión y esmerilado electroquímico de los materiales duros y frágiles. Otra de las propiedades es la magnetización de los materiales este es un fenómeno de dilatación o de contracción de un material este es cuando queda sujeto a un campo magnético y se lo conoce como magnetostricción. Las propiedades ópticas de un material también son importantes ya que esta propiedad da la característica del color y la opacidad que tiene un material esta propiedad es muy importante para los polímeros y vidrios (Mikell P. Groover, 2002).

2.3.1.2 Propiedades mecánicas de los materiales

Las propiedades mecánicas de los materiales son importantes porque estas determinan su comportamiento cuando están sujetos a esfuerzos mecánicos, es importante en el diseño para saber el funcionamiento y desempeño de los materiales estos depende de la capacidad para resistir deformaciones bajo los esfuerzos que enfrentan en los servicios (Mikell P. Groover, 2002).

 Propiedades de esfuerzo deformación

Existen tres tipos de esfuerzo estático que los materiales se pueden someter: de tención, de compresión y de corte.

Propiedades en tensión de los materiales. Los esfuerzos en tensión son los que tienden a alargar al material.

19 Propiedades de corte en los materiales. Los esfuerzos de corte en los materiales implican fuerzas que tienden a deslizar porciones adyacentes de material una sobre otra (Mikell P. Groover, 2002).

 Dureza

Se define a la dureza de un material como la resistencia al rayado y al desgaste del material la resistencia a estos parámetros es muy importante para muchas aplicaciones en la ingeniería, hay una fuerte relación entre dureza y resistencia, para valorar las propiedades del material existen diferentes ensayos de dureza para los materiales como:

 Ensayo de dureza Brinell

 Ensayo de dureza Rockwell

 Ensayo de dureza Vickers

 Ensayo de dureza Knoop

2.3.2 NORMAS DE LA TÉCNICA DEL METAL

Las normas son las que determinan dimensiones composiciones y de más características que debe poseer un material, establecido de común acuerdo con la autoridad gubernamental competente y los principales usuarios. Las cuales se usarán como base comparativa durante un determinado tiempo. Dentro de los metales se tiene algunas normativas como:

2.3.2.1 Normas DIN

20 indicar el tratamiento al que fueron sometidos y la clase de calidad, estas normas fueron las primeras en salir para catalogar al acero y así saber cómo se puede utilizar estos aceros y así tener más seguridad en la resistencia de lo que se construía (Bosch, 2005).

2.3.2.2 Normas Europeas de la CE (Comunidad Europea)

En 1974 la clasificación y la denominación de las clases de acero se realizó conforme a la Norma Europea 20-74 con una clasificación de la composición química en los aceros aleados y no aleados, en donde las letras y los números indican los valores de la resistencia (Bosch, 2005).

2.3.2.3 Normas ISO

La ISO no elaboro ningún tipo de normativa para los metales, la normativa DIN 17006 marcaba la pauta hasta que se introdujo la normativa europea hasta que se remplazó con la normativa EN (Bosch, 2005).

2.3.2.4 Normas EN o DIN EN de la UE

Tras la fundación de la Unión Europea el sistema de denominación conforme a la norma DIN EN 10027-1 sustituyo a la norma Europea 27-74 desde 1989. Este sistema divide a los aceros con nombres abreviados en dos grupos principales, el primer grupo por sus propiedades físicas o mecánicas y el segundo grupo por su composición química (Bosch, 2005).

2.4 SOLDADURA DE METALES

21 llevar a cabo mediante diferentes métodos, esto va a depender del tipo de material que se utilice, la fuerza que se desee obtener en las uniones, donde el material de aporte puede ser igual o diferente a las piezas a unir. La soldadura cambia la estructura del metal a soldar, debido a que la soldadura cambia algunas de las propiedades físicas de los materiales que se suelden. Dentro de los procesos de fabricación existen varios tipos de soldadura las cuales se mencionará algunas de las más importantes y de las cuales para la construcción del Kart se utilizan algunas.

2.4.1 TIPOS DE SOLDADURA DE METALES

Los tipos de soldadura que existen dentro de la industria automotriz son varios es por eso que en esta parte del capítulo se hablará de los tipos más importantes y más utilizados dentro de la industria y sobre todo haciendo énfasis en las soldaduras que se utiliza para la construcción de chasis y así dar paso a la construcción del chasis con la suelda adecuada.

2.4.1.1 Suelda TIG

Para el procedimiento de la soldadura TIG se necesita calor el cual se produce mediante un arco eléctrico mantenido entre el electrodo no consumible y la pieza que se va a soldar.

El electrodo usado para llevar la corriente es una varilla de tungsteno, que también puede ser grafito. Como se muestra en la figura 14.

Figura 14. Suelda TIG

22 La soldadura se realiza hasta que los bordes de las juntas por soldar estén fundidos, el baño del metal antes de solidificarse junta las partes entre sí. Este proceso se lo puede realizar manual o automáticamente con o sin aporte de metal. Para establecer el arco general mente se acerca la punta del electrodo a la pieza sin tocarla y luego se la aleja a una corta distancia.

Para realizar una soldadura manualmente, una vez que el arco este establecido el porta electrodo debe mantenerse a 75 grados con respecto al baño de metal fundido, para poder soldar lo mejor es realizar movimientos circulares hasta tener un baño de metal fundido conveniente. Una vez que se ha logrado una fusión adecuada en un punto, la soldadura se hace moviendo el electrodo a lo largo de las juntas a medida que éstas se vayan fundiendo. La solidificación del metal fundido sigue progresivamente al arco a lo largo de la junta, completando la soldadura (Joseph W. Giachino, 2007).

 Tipos de corrientes.

Al momento de escoger el tipo de corriente y la fuente de poder se tiene que observar el espesor del material a soldar y la velocidad del depósito del material de aporte, cuando se escoge el tipo de corriente y el tipo de fuente de poder se tendrá diferentes características al momento de soldar las piezas. Como se ilustra en la imagen 15.

Polaridad directa Polaridad inversa Efectos Intermedios -Buena penetración -Poca penetración -Aspecto del cordón -Soporta alta intensidad -Efecto de limpieza del baño

Figura 15.Grafico de tipos de Corriente

23 Las aplicaciones de la suelda TIG son amplias ya que se puede soldar una gran variedad de materiales. Este incluye todos los metales o aleaciones que pueden ser fundidos por el arco eléctrico, no se vaporizan por el calor y podrán ser soldados sin grietas.

Los materiales que pueden ser soldados por este proceso son en su gran mayoría aceros al carbón, aleaciones o aceros inoxidables, aluminio y casi todas sus aleaciones, magnesio y sus aleaciones, cobre, cobre-níquel (aleaciones Monel), níquel-cromo-hierro (aleaciones Inconel) de alta temperatura en varios tipos, virtualmente todas las aleaciones de recubrimientos duros, zirconio, oro, plata y muchos otros (Padilla, 2013).

 Material de aporte

Cuando se utiliza material de aporte para este proceso de soldadura por lo general debe ser similar al material base de las piezas a soldar. Normalmente las varillas de material de aporte son de varios diámetros dependiendo de los espesores de las piezas a unir.

 Electrodos

Los electrodos utilizados en la soldadura TIG deben tener buenas características que garanticen un correcto inicio y mantenimiento de arco eléctrico, como este electrodo no es consumible debe soportar un punto de fusión elevado mayor a los 4000 grados centígrados que eviten su degradación.

Dentro de los materiales existentes uno es el tungsteno, en estado puro o aleado, el que mejor cumple con las condiciones exigidas.

24

Figura 16. Afilado del electrodo

(Padilla, 2013)

 Gas de protección de la suelda TIG

Los principales gases de protección son: el argón este gas ofrece una buena estabilidad de arco ofrece una baja conductividad térmica, lo que favorece a la concentración de calor en la parte central del arco, originándose por ello una penetración muy acusada en el centro del cordón. Cuando se usa este gas el aspecto típico del cordón es como el que se muestra en la figura 17.

Figura 17. Aspecto de soldadura con el gas Argón

25 El helio es un gas que también se utiliza en este proceso, con este tipo de gas es necesario una aplicación de mayor tensión de arco, consiguiendo una menor penetración y cordones más anchos.

La mezcla del argón con el helio también es utilizada dando como resultado características intermedias, esta mezcla es más utilizada al momento de soldar cobre ya que la mezcla de estos dos gases contribuye a la figuración en frio del acero.

Técnica para soldar.

Se debe tomar en cuenta algunas recomendaciones para soldar en este tipo de proceso, ya que de esto dependerá la calidad de soldadura final.

En la soldadura TIG las distancias son importantes ya que de esto dependerá el mantenimiento del arco eléctrico se recomienda las siguientes distancias. Como se observa en la figura 18.

 5 mm. como máximo de salida del electrodo fuera de la tobera

 5 mm. como máximo para la distancia de la punta del electrodo a la pieza.

Figura 18. Distancias entre electrodo y pieza

(Padilla, 2013)

26 La inclinación de la antorcha determinará el grado de protección del gas por eso lo ideal será que este perpendicular a la pieza a ser soldada. Como se muestra en la figura 19.

Figura 19. Angulo de inclinación de entre 0 a 15 grados (Padilla, 2013)

El caudal del gas también es otro parámetro importante, debe ser de entre 6 a 12 litros por minuto.

2.4.1.2 Suelda MIG/MAG

Este es un proceso de soldadura en el cual el calor necesario se genera por un arco que se establece entre un electrodo consumible y el metal que se va a soldar.

El electrodo es un alambre macizo, desnudo que se alimenta de forma continua automáticamente y se convierte en metal depositado según se vaya consumiendo.

27

Figura 20. Esquema de la suelada MIG/MAG

(Padilla, 2013)

A este proceso se lo denomina MIG cuando se utiliza un gas inerte, y cuando se utiliza un gas activo se lo denomina MAG, este tipo de proceso puede ser automático o manual.

Este tipo de soldadura se utiliza principalmente en aceros de media y baja cantidad de carbono, así también para soldar aceros inoxidables, aluminio y otros metales no férricos y para hacer tratamientos de relleno, este proceso produce soldadura de gran calidad para los artículos en la industria automotriz (Joseph W. Giachino, 2007).

Este tipo de proceso de soldadura tiene grandes ventajas, la rapidez de soldadura, como el electrodo es continuo se obtiene una gran eficiencia, no se produce mucha escoria ya que este proceso tiene un electrodo continuo lo que representa una mayor limpieza en la pieza a ser soldada por lo que se tiene piezas soldadas de mayor calidad, se tiene una menor deformación en las piezas ya que este proceso es de gran velocidad por lo tanto no se concentra tanto el calor y las deformaciones son menores.

28

Figura 21. Equipo de suelda MIG/MAG (Padilla, 2013)

Existen cuatro modos de transferencia de metal, esto dependerá que es lo que se quiera conseguir. Como se observa en la figura 22.

Figura 22. Modos de transferencia

(Padilla, 2013)

Transferencia en spray. Se desprenden pequeñas gotas del alambre y se desplazan a través del arco hasta llegar a la pieza.

Transferencia globular. En forma de grandes gotas de tamaño mayor que el alambre/electrodo que caen al baño de fusión por su propio peso.

29 Transferencia por arco pulsado. Es un modo de transferencia tipo spray que se produce en impulsos regularmente espaciados, en lugar de suceder al azar como ocurre en el arco spray.

Materiales de aportación.

Los electrodos o el alambre empleado en este proceso son de diámetros muy pequeños van desde los 0.6 hasta 3.2 mm y se suministran en bobinas para colocar directamente en los sistemas de alimentación. Para conseguir una alimentación suave y uniforme el alambre debe estar bobinado en capas perfectamente planas y es necesario que no esté tirante durante su suministro, sino que exista una cierta holgura entre la bobina y la vuelta que se está desenroscando(Joseph W. Giachino, 2007).

Al ser el electrodo de aportación de un diámetro muy pequeño la velocidad de alimentación del electrodo debe ser elevada. Como se hace referencia en la tabla 3 especificaciones para soldar.

Tabla 3. Especificaciones para soldar

Espesor en mm diámetro del electrodo mm Amperaje en CC Voltaje en CC Velocidad de avance m/min Gas lts/min

0.77 0.8 35-60 16-17.5 0.50 7—9

0.92 0.8 40-70 17-18 0.70 8—9

1.25 0.9 70-90 18-19 0.50-0.70 8—9

2.1 0.9 120-130 20-21 40-0.50 9—12

3.17 1.2 120-180 20-23 0.37-0.50 9—13

4.76 1.2 190-200 21-22 0.60-0.70 12—14

6.25 1.2 160-180 22.5-23 0.35-0.45 12—14

7.93 1.2 200-210 23-23.5 0.30-0.50 12—14

9.5 1.2 220-250 24-25 0.30-0.40 12—14

12.5 1.2 280 28-29 0.35 12—14

30

 Gases de protección

El objetivo fundamental del gas de protección es de proteger al metal fundido de la contaminación de la atmosfera circulante, los gases más utilizados en la soldadura MIG/MAG son:

 CO2 (dióxido de carbono)

 Ar (argón), He (helio) o Ar + He

 Ar + CO2 o He + CO2

 Ar + O2 ( 1-10% de oxígeno)

 Ar + O2 + CO2

 Ar + He + CO2

 Ar + He + CO2 + O2

El soldeo se denominará MAG cuando se utilicen gases activos (CO2, O2), y MIG cuando se utilicen los inertes (Ar, He).

Este tipo de soldadura es muy utilizada en la industria automotriz tanto en procesos de construcción de chasis y también en procesos de rellenado.

2.4.1.3 Soldadura por contacto

Este tipo de proceso se basa en el calentamiento del metal por la circulación de corriente por las piezas a ser soldadas. Como se observa en la figura 23.

Figura 23. Soldadura por contacto

31 Para soldar dos o más piezas estas se aprietan una contra otra y con la ayuda de electrodos especiales se suministra corriente de pequeña tensión, 3 a 8 voltios, y de gran intensidad, hasta varias decenas de kilo amperios. El calor empleado durante la soldadura se desprende directamente de las mismas piezas. La resistencia eléctrica desempeña un papel esencial en el proceso. El área de contacto en cada punto y el número de puntos en contacto depende del esfuerzo de compresión de las piezas, las propiedades metálicas del metal y el estado de la superficie. Los electrodos que se usan durante la soldadura por puntos se fabrican de aleaciones de cobre que tiene alta conductividad térmica (Joseph W. Giachino, 2007).

Para que las superficies de las piezas, que entran en contacto con los electrodos, se calienten más lentamente que las capas internas del metal en la zona de soldadura, los electrodos se enfrían con agua.

Como resultado de la fusión se produce una zona de metal fluido en forma lenticular que está rodeado por un denso anillo de metal calentado dentro de cuyos límites tiene lugar una unión suficientemente resistente en estado dúctil. Después que la zona de fusión obtenga las medidas requeridas, se desconecta la corriente de soldadura. El metal se enfría y como resultado de su solidificación y cristalización se forma un núcleo fundido como se observa en la figura 24.

Figura 24. Zona lenticular

(Padilla, 2013)

32 Para poder realizar los diferentes cálculos que tiene la estructura de un Kart es necesario conocer los diferentes conceptos para así tener una clara idea de las diferentes fuerzas que actúan sobre la estructura de un Kart y cuáles son las fuerzas que se oponen al mismo.

2.5 CONCEPTO DE LA RIGIDEZ

Al no poseer ningún tipo de suspensión el Kart hace que la rigidez del chasis sea una causa importante en la estabilidad y conducción del Kart.

Como principio básico se va a decir que a mayor rigidez menor agarre, a menor rigidez se tendrá una mayor capacidad de flexionar. Es decir al aumentar la rigidez se obtiene mayor deslizamiento, y al disminuir la rigidez se mejora el agarre (Bosch, 2005).

Para poder calcular se tiene la siguiente expresión.

F: Carga aplicada d: Deformación

También se tiene que decir que la rigidez cumple las siguientes proporcionalidades:

𝐾∞𝐸. 𝐼 [2]

Donde:

E: Modulo de elasticidad o módulo de Young. I: Momento de inercia.

A: Área de la sección.

De estas dos proporcionalidades se puede deducir que a mayor módulo de elasticidad por momento de inercia o sección de área mayor será la rigidez. En la rigidez de un chasis se debe tener en cuenta dos aspectos:

 La rigidez a la flexión

33 La rigidez a la flexión se refiere a cuanto se dobla el chasis por los pesos de los diferentes elementos que conforman el Kart estos pesos son los que pueden causar diferentes reacciones en la estructura por lo que se debe tener en cuenta al momento de la construcción. Como se puede observar en la figura 25.

Figura 25. Esquema de las fuerzas aplicadas en el chasis

Para calcular la rigidez a la flexión se tiene la siguiente formula:

𝐾𝑓𝑙𝑒𝑥 =𝐸𝐼_𝐿

La rigidez torsional se refiere cuando el chasis sufre de algún tipo de deformación generado por una carga asimétrica, esto se produciría cuando una de las ruedas pasa por un bache. Esto va a depender del par torsor máximo al que pueda estar sometido. Para esto se debe decidir a cuantos grados se debe deformar como máximo para someter el par máximo.

Para calcular la rigidez a la torsión se encuentra la siguiente formula:

𝐾𝑡𝑜𝑟𝑠 =𝑀_𝜃𝐺𝐽_𝐿

Donde:

G: Modulo de elasticidad transversal. J: Momento de inercia transversal.

2.5.1 CONCEPTO SOBRE EL MOVIMIENTO

Según las leyes de la mecánica clásica, un cuerpo que este en movimiento de forma continua y uniforme debe recibir una fuerza que lo empuje que iguale o anule las fuerzas que se opongan al movimiento.

34 De esto se entiende que solo en condiciones ideales las cuales son sin fuerza de oposición, un cuerpo puede moverse con una velocidad constante sin que necesite una fuerza exterior.

En un Kart para vencer las fuerzas de oposición se necesita de la potencia de un motor (Bosch, 2005).

La dirección es otro de los elementos que intervienen de manera secundaria, esta interviene cuando al vehículo le da una dirección de giro.

Los factores que influyen son:

 Las tres leyes de Newton.

 La ley de Gravitación Universal.

 El principio de transformación de Galileo.

La masa del Kart será otro de los factores en el movimiento.

Se dice que a mayor masa de un Kart será necesario un motor de una mayor potencia para así conseguir una mayor aceleración, pero a su vez será necesario tener unos frenos más grandes para así tener un frenado efectivo como se observa en la figura 26

Figura 26. Diagrama de influencia de la masa

Lo que más influye a la resistencia del movimiento de un vehículo es el conjunto de fuerzas las cuales son:

 Fuerza de rozamiento con el suelo.

 Fuerza o resistencia aerodinámica.

 Fuerza de gravedad.

Mayor masa de Kart

Mayor potencia del

motor

Frenos más grandes

35

2.5.2 RESISTENCIA AL AVANCE

Estas resistencias son necesarias conocerlas ya que intervienen a la hora de avance en la pista del Kart, estas son:

 Resistencia a la rodadura.

 Resistencia aerodinámica.

 Resistencia de pendiente.

2.5.2.1 Resistencia a la rodadura

La resistencia a la rodadura es cuando el vehículo se desplaza y se encuentra con fuerzas que se oponen a dicho desplazamiento, los valores dependerán de la masa del vehículo, de la geometría de dirección, del tipo, perfil, presión de inflado del neumático, de la velocidad en marcha, del estado de la carretera y de la superficie de la misma (Bosch, 2005).

Para calcular la resistencia a la rodadura se multiplica el peso que recae en cada rueda por el coeficiente de resistencia a la rodadura, este valor dependerá del material sobre el cual está deslizándose el vehículo y de los factores ambientales. Como se muestra en la tabla 4.

Tabla 4. Coeficiente de resistencia a la rodadura

Neumáticos sobre Coeficiente de resistencia a la rodadura (µr)

Adoquines Grandes 0.013

Adoquines pequeños 0.013

Hormigo 0.011

Gravilla aplanada 0.02

Macadam de alquitrán 0.025

Camino de tierra 0.05

Para calcular la resistencia a la rodadura se tiene la siguiente formula:

𝐹𝑟𝑜 = 𝜇𝑟. 𝑁

Donde:

36 N: La normal

2.5.2.2 Resistencia aerodinámica

El aire es otro elemento más que se opone al movimiento del vehículo en este caso al Kart, la fuerza a la resistencia al aire va a depender del tamaño, forma velocidad del kart, de la densidad del aire, dirección y fuerza del viento. Para calcular la resistencia aerodinámica se tiene:

𝐹𝑙 = 1₂× 𝐶𝑥 × 𝐴 × 𝜌 × 𝑉2

Donde:

Cx: Coeficiente de resistencia aerodinámica. A: Superficie frontal del vehículo.

Ƿ: Densidad del aire (A 200m de altura es igual a 1.202 Kg/m3) V: Velocidad del vehículo.

De esta fórmula se puede deducir que a mayor velocidad la resistencia aerodinámica será mayor por lo tanto mayor será el esfuerzo del motor, y mayor consumo energético tendrá. También dependerá del área de superficie del vehículo porque esto cambiará el coeficiente de resistencia aerodinámica.

2.5.2.3 Resistencia de pendiente

La resistencia a la pendiente va a depender de la inclinación que tenga la calzada y de la masa que tenga el vehículo, para poder vencer esta resistencia el vehículo debe tener una mayor fuerza de empuje, por lo que será necesario contar con una mayor potencia del motor.

La fuera a la resistencia de pendiente se calculará mediante esta fórmula:

𝐹𝑝 = 𝑚 × 𝑔 × 𝑠𝑒𝑛 ∝ [8]

37

2.5.3 MARCHA DE LOS VEHÍCULOS

Para realizar un estudio de la marcha de cualquier vehículo se debe tener en cuenta dos aspectos:

 Reparto de cargas entre ejes.

 Reparto de cargas en el Kart.

2.5.3.1 Reparto de cargas entre ejes

El centro de gravedad (CG) es uno de los puntos más importantes en el comportamiento del Kart, de esto dependerá de la repartición de los pesos en el chasis, de esto dependerá el frenado y el paso por curvas, las reacciones del Kart pueden ser ligeramente modificadas dependiendo el centro de gravedad.

Uno de los pesos a tomar en gran consideración es el peso del piloto, lo que quiere decir que la colocación del asiento no sea solo un asunto de comodidad sino también de reglaje. Para la distribución de las cargas no existe una regla fija, pero lo más adecuado sería que cada neumático reciba la misma presión, es decir que soporte el mismo peso en la superficie.

Se debe tener en cuenta que los tamaños de los neumáticos delanteros y traseros son distintos, ya que el peso debe recaer de una forma proporcional al tamaño del neumático.

En los Karts de 100cc los tamaños normales son de 4,5 pulgadas de anchura en el neumático delantero y de 7.1 pulgadas en los neumáticos posteriores lo que da como proporción de 38.7% frente a un 61.4%.

Cuando se varia el centro de gravedad (CG) se traduce en modificar distintas propiedades en el Kart como la obtención de un mejor agarre, distinto comportamiento en el frenado y en curvas.

Para calcular los pesos y los porcentajes de los diferentes repartos se tiene que:

 Peso eje delantero (PED) PED = DI+DD

38

 Peso lado derecho (PLD) PLD=DD+TD

 Peso lado izquierdo (PLI) PLI=DI+TI Donde se deducen los siguientes repartos:

 Porcentaje delantero = 100*(PED/PT)

 Porcentaje trasero = 100*(PET/PT)

 Porcentaje derecho = 100*(PLD/PT)

 Porcentaje izquierdo = 100*(PLI/PT) Donde:

DD (delantero derecho)

 DI (delantero izquierdo)

 TD (trasero derecho)

 TI (trasero izquierdo)

La suma total (DD+DI+TD+TI) da el peso total (PT) del kart.

2.5.3.2 Reparto de cargas en el Kart

Para el reparto de cargas en el Kart se debe tener en cuenta que, cuanto menos peso tenga el chasis respetando la rigidez mejor aprovechado será la potencia del motor, el centro de gravedad debe estar lo más bajo posible para no tener mucho balanceo, aerodinámicamente el centro de gravedad conviene que este delante del centro de presiones laterales para evitar inestabilidades en la conducción. En el Kart debido a su estructura el viento afecta relativamente poco ya que este está muy pegado al suelo.

 Marcha de los vehículos en rectas

39 Para esto se aplica las ecuaciones fundamentales de la mecánica al eje longitudinal y vertical del vehículo.

 Esfuerzos verticales

El peso del vehículo se contrarresta con la fuerza de reacción del suelo sobre los neumáticos, cuando el vehículo está en marcha aparecen fuerzas aerodinámicas verticales hacia arriba, esta fuerza hace que reduzca el peso aparente del vehículo, no es tan relevante en velocidades bajas pero a altas velocidades hace que disminuya la fuerza normal ejercida por el suelo, y en consecuencia disminuye la capacidad de tracción de adherencia lo cual puede ser un problema al momento de entrar en alguna recta (Bosch, 2005).

 Dinámica longitudinal

Cuando se aplica fuerzas sobre el vehículo en el eje longitudinal, se tiene las fuerzas resistivas de avance, en oposición a estas fuerzas de avance se tiene la fuerza proporcionada por el motor, si el esfuerzo supera a las fuerzas resistivas de avance habrá una fuerza neta F hacia adelante que impulsará al vehículo con un movimiento acelerado uniforme. Como se observa en la figura 27.

Figura 27. Diagrama que actúan en un vehículo en la dinámica longitudinal

40

2.5.3.3 Dinámica de frenado

El frenado es la fuerza que permite reducir la velocidad del vehículo en marcha llegando así a detenerlo por completo, el frenado es un sistema importante dentro del automóvil ya que este garantiza seguridad y estabilidad del mismo. En el momento de frenado es aceptable como hipótesis que el vehículo es un solo solido rígido en el movimiento rectilíneo uniforme. Como se observa en la figura 28.

Figura 28. Diagrama de la dinámica de frenado de un vehículo

(ARIAS-PAZ, 2006)

2.5.3.4 Dinámica mínima de frenado

Esto se debe calcular para determinar una correcta puesta a punto del Kart, y así saber la desaceleración que sufrirá el piloto, partiendo de la consideración energética de la fuerza de frenado ha de ser igual a la energía cinética del móvil se tiene que:

𝑚 × 𝑔 × 𝜇 × 𝑑 = 1₂× 𝑚 × 𝑉2 _[9]

Donde se despeja la distancia y queda que:

𝑑 =_{2×𝑔×𝜇}𝑉2

41 V: Velocidad del vehículo.

g: Aceleración de la gravedad.

u: Coeficiente de rozamiento estático.

2.5.3.5 Interacción entre ruedas y pavimento en curvas

Cuando el vehículo entra a una curva aparece una fuerza centrífuga la que tiende a desplazarlo hacia fuera de la curva, para contrarrestar esta fuerza aparece una nueva fuerza de rozamiento entre el pavimento y neumático la cual es proporcional a un coeficiente de rozamiento estático. Esta fuerza de rozamiento es perpendicular a la trayectoria del vehículo.

Dentro de un circuito se tiene dos tipos de curvas las cuales son:

 Curva sin peralte.

 Curva con peralte.

2.5.3.6 Curva sin peralte

El vehículo recorre una trayectoria circular de radio R con velocidad constante, las fuerzas que actúan son:

 El peso

 La reacción de la carretera.

 La fuerza de rozamiento.

Se tiene equilibrio en sentido vertical por lo que la reacción de la calzada es igual al peso del vehículo.

Aplicando la segunda ley de Newton se puede deducir que:

𝑉 = √𝜇𝑔𝑅

42

2.5.3.7 Curva con peralte

Para ayudar en el paso de una curva y que el vehículo tenga un mayor agarre y por tanto mayor seguridad las curvas deben tener un peralte o un ángulo. Las fuerzas que actúan sobre el vehículo serán las mismas que cuando una curva es sin peralte la diferencia es que tienen distinta orientación salvo el peso que siempre será vertical. Como se observa en la figura 29.

Aplicando la segunda ley de newton se llega a que la velocidad máxima de paso por la curva es:

𝑉 = √𝑅𝑔_{cos 𝜃−𝜇𝑠𝑒𝑛 𝜃} 𝑠𝑒𝑛 𝜃+𝜇𝑐𝑜𝑠𝜃 [12]

Figura 29. Fuerzas que actúan en el vehículo en curva con peralte

(Giancoli, 2006)

2.5.3.8 Estabilidad de un vehículo

El chasis debe está perfectamente equilibrado para así dar garantía al momento de moverse.

43 Por lo que es muy importante que el chasis este bien equilibrado y así se asegure una buena estabilidad en el Kart.

Planteando el equilibrio de momentos se tiene que: 𝑁1 =𝑚𝑔𝑋𝑐−𝑚𝑉

2_{/𝑅𝑌𝑐}

𝑎 [13]

Dónde:

N1: Esfuerzo vertical peso que descansa sobre las ruedas interiores. Xc: Coordenadas en el eje X del centro de gravedad.

Yc: Coordenada en el eje Y del centro de gravedad a: Anchura del vehículo

R: Radio de la curva m: Masa del vehículo

Para que el vehículo se vuelque se tiene cumplir que N1≤0.

2.5.3.9 Cálculos de los esfuerzos en el chasis.

Se realizará los cálculos para saber cuáles son los esfuerzos hipotéticos que puede soportar.

 Bases del cálculo estático

Estas situaciones se pueden dar en la realidad como la aceleración y la desaceleración longitudinal, la aceleración lateral, estas serán las fuerzas a la que el Kart estará sometido.

 Aceleración y desaceleración longitudinal

44

Figura 30. Diagrama de fuerzas de un kart longitudinalmente

Observado el diagrama se realizará la sumatoria de fuerzas para obtener las siguientes ecuaciones:

Primera ecuación

∑ 𝐹1 = 𝑚𝑎

𝐹𝑑 + 𝐹𝑡 + 𝑅𝑎 = 𝑚. 𝑎 [14]

Segunda ecuación

∑ 𝐹2 = 0

𝑁𝑑 + 𝑁𝑡 − 𝑚. 𝑔 = 0

Tercera ecuación

∑ MG = IG

45

Nd =m.g.l2+(m.h+4.

Ir

rd)a−Ra.h−Ma+Md+Mt

l

Nt =m.g.l1+(m.h+4.

Ir

rd)a−Ra.h−Ma+Md+Mt

l

Para realizar los cálculos de las magnitudes de las fuerzas se debe menospreciar algunas de las fuerzas como la de rodadura, aerodinámica. Al tratarse de un vehículo ligero, las inercias de las ruedas adquieren una cierta importancia lo que en un principio se tendrán encuentra.

Se debe considerar que Ra=Ma=Md=Mt=0 por lo que se deberá a plantear nuevas ecuaciones para la normal delantera y trasera.

Nd =mg_l (l2 +h_ga + 4_mgrIr1

d1a) [17]

Nt =mg_l (l1 −h_ga − 4_mgrIr2

d2a) [18]

Se deben remplazar las ecuaciones obtenidas de los teoremas vectoriales de diagrama bidimensional

N_d+ N_t ≤ mg F_d+ F₁ ≤ ma

Si se tiene un coeficiente de fricción entre el neumático y el terreno la máxima fuerza de aceleración o desaceleración será:

F_d+ F₁ ≤ µgm

De esta manera se obtiene que

ma ≤ µgm

a ≤ µg

De esta ecuación se puede deducir que la máxima aceleración o desaceleración que se puede obtener va a depender del coeficiente de fricción que existe entre la rueda y el terreno.

Se debe definir el coeficiente Ke, que relaciona la fuerza normal que soporta el neumático y la fuerza tangencial de aceleración o desaceleración por lo que se obtendrá dos ecuaciones una para cada eje:

Kd= _NFd

46

𝐾𝑡 =_𝑁𝐹𝑡

𝑡 [20]

Considerando las expresiones de Nd y Nt de las ecuaciones anteriores se obtiene que:

𝐹_𝑑 = 𝐾_𝑑𝑥𝑁_𝑑

Remplazando

𝐹_𝑑 = 𝐾_𝑑𝑚𝑔_𝑙 (𝑙₂+ℎ_𝑔𝑎 + 4 𝐼𝑟1

𝑚𝑔𝑟𝑑1𝑎)

𝐹𝑡= 𝐾𝑡𝑥𝑁𝑡

𝑚𝑔𝑟𝑑2𝑎)