A G R A D E C I M I E N T O S
Gracias a dios por haberme permitido llegar hasta este día.
A mis padres por todo lo que me han brindado toda mi vida, por estar siempre
conmigo, por darme consejos, apoyo y mucho cariño durante toda mi preparación.
GRACIAS.
A los profesores que realmente me enseñaron cosas valiosas y que dejaron en mí un buen aprendizaje.
Gracias a I .J. M. G. por apoyarme cuando más te necesitaba .
A mis compañeros que juntos colaboramos al termino de nuestra carrera.
AGUILAR SANABRIA JORGE MARIO
Para alcanzar uno de mis anhelos más grandes de mi vida existió el apoyo de las personas que más amo, mis señores Padres, porque gracias a sus consejos y su cariño he realizado, fruto del inmenso apoyo, amor y confianza que en mí se depositó y con los cuales he logrado terminar mis estudios profesionales, por supuesto, no podría hacer falta mi hermana que tanto quiero, por brindarme esos momentos de alegría ante situaciones frustrantes a lo largo de mi preparación, por ello les viviré eternamente agradecido.
A una persona muy especial y que amo, a mi novia, por su sacrificio en algún tiempo incomprendido, por su confianza, por su amor y amistad incondicional, a su hermana por sus consejos y ánimos en momentos de confusión, a sus padres por tanto apoyo moral desde el momento que los conocí. A mis tíos que entregaron su confianza y me brindaron hospitalidad, a todas las personas que tuvieron algo que contribuyeron en mi formación, a mis maestros, compañeros de clase y amigos de carrera.
A todos, muchas Gracias.
Jorge Caín Ortíz Martínez.
Gracias,
Mario Hugo Corona Escartin
- 0.1 Titulo
Análisis y diseño del disco y soporte del freno para un go-kart.
- 0.2 Objetivo
Realizar el diseño y análisis del disco y soporte para un sistema de freno de alto rendimiento para uso exclusivo de un automotor, particularmente en un go-kart con un motor de 5.5 hp de potencia.
- 0.3 Justificación
Debido al adelanto tecnológico de los transportes automotores es de gran importancia sentar las bases para el desarrollo de mejores y avanzados sistemas de frenado. Uno de los componentes esenciales de los sistemas de frenos, son los discos de frenado y su soporte. Y las mejoras en las características de estos componentes incrementaran la eficiencia de los sistemas de frenado conocidos.
Contribuir a sentar bases en el diseño de un disco de frenado implementándolo en sistemas básicos de frenado como los incluidos en los vehículos de baja potencia contribuirá al implemento de estas bases.
- 0.4 Alcance
Este proyecto se concluye con el modelado y análisis estático de un disco para un sistema de frenos. Esta dirigido a su instalación en un vehículo go kart.
Cabe hacer notar que el análisis no abarco el área dinámica ni térmica, pero sienta las bases para la continuación del proyecto ya que no se concluyo.
1
- 0.5 Metodología
Se obtiene el diseño básico de un go kart dado por la recopilación de información y diseño de vehículos del mismo tipo.
Se recopila información de discos de frenos para el sistema de frenos básicos para este tipo de vehículos.
Como siguiente paso se efectúa un modelado previo para determinar los espacios y distribución de los demás sistemas.
Se procede al modelado y luego al análisis del disco del sistema de freno.
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0.6 INDICE
0.1 Titulo... 1
0.2 Objetivo... 1
0.3 Justificación... 1
0.4 Alcance... 1
0.5 Metodología... 2
0.6 INDICE ... 3
1 CAPITULO I. MARCO TEORICO ... 7
1.1 CONCEPTO DE FRENO... 7
1.2 HISTORIA DEL FRENO ... 9
1.3 CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS FRENOS... 12
1.4 CRITERIOS DE DISEÑO PARA DISCOS DE FRENOS ... 17
1.4.1 EFECTOS DE LA TEPERATURA ... 20
1.4.2 LA GEOMETRÍA DEL DISCO DE FRENO... 21
1.4.3 PROBLEMAS PRINCIPALES ASOCIADOS A LOS DISCOS. ... 26
1.5 METODO DEL ELEMENTO FINITO (FEM) ... 33
1.6 FUNDAMENTOS ESTRUCTURALES... 37
2 CAPITULO II DISEÑO DE UN DISCO Y SOPORTE DE ESTE PARA UN FRENO EN MECHANICAL DESKTOP... 43
2.1 DIBUJO DE SÓLIDOS ASISTIDOS POR COMPUTADORA... 43
2.2 DISEÑO DE UN DISCO DE FRENO VENTILADO PARA UN GO KART... 45
2.2.1 MECHANICAL DESKTOP... 45
2.3 PASOS PARA DISEÑO DE UN DISCO EN MECHANICAL DESKTOP... 46
2.3.1.-CONFIGURACIÓN DE UNA HOJA DE DISEÑO EN MECHANICAL DESKTOP... 46
2.3.10.-COMO REALIZAR LAS FIGURAS (PERFILES) ALREDEDOR DEL DISCO EN UNA FORMA SIMÉTRICA. ... 62
2.3.11.-REALIZACIÓN DE UNOS BARRENOS EN EL DISCO PARA UNA MEJOR VENTILACIÓN DEL MISMO ... 65
2.3.12.-EN LA ILUSTRACIÓN 26 NOS MUESTRA COMO QUEDA EL DISCO YA TERMINADO EN EL PROGRAMA MECHANICAL DESKTOP. ... 68
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2.3.2.- GENERACIÓN DE LAYERS. ... 47
2.3.3.-COMO HACEMOS UN CIRCULO... 48
2.3.4.-COMO CREAR UN PROFILE DE UN DIBUJO... 50
2.3.5.1.-IDENTIFICACIÓN DE LA OPERACIÓN DE EXTRUSIÓN RESUELTA. .. 52
2.3.5.2.-COMO HACER LA IMAGEN EN UN SÓLIDO. ... 54
2.3.5.-OPERACIÓN DE EXTRUSIÓN... 52
2.3.6.1.-CONVERTIR LOS CÍRCULOS Y LAS OPERACIONES EN UN SÓLIDO. ... 56
2.3.6.-REALIZACIÓN DE LOS TRES BARRENOS DE SUJECIÓN DEL DISCO (GUÍA PARA LOS TORNILLOS)... 55
2.3.7.-PERFORACIÓN DE LOS TRES BARRENOS DE SUJECIÓN DEL DISCO. ... 57
2.3.8.-DISTRIBUCIÓN ADECUADA DE LOS TRES BARRENOS, UTILIZACIÓN DEL COMANDO ARRAY. ... 58
2.3.9.- DISEÑO PARA EL ALIGERAMIENTO DEL DISCO... 61
2.4 DISEÑO DE UNA BASE SOPORTE PARA EL DISCO... 69
2.4.1.-LIMITES PARA LA HOJA A TRABAJAR... 70
2.4.2.-CONFIGURACIÓN DE UNIDADES PARA TRABAJAR EN LA HOJA. ... 71
2.4.3.-REALIZACIÓN DE LOS CÍRCULOS PARA LA BASE SOPORTE DEL DISCO... 73
2.4.4.-COMO TRABAJAR CON LA HERRAMIENTA PROFILE EN EL DIBUJO. . 74
2.4.5.-COMO PUEDE VERIFICAR ESTA OPERACIÓN SI ESTA REALIZADA. .. 75
2.4.6.- PERFORACIÓN DE LA PIEZA PARA SUJETAR DE ESTOS TRES BARRENOS AL DISCO. ... 77
2.4.7.-REALIZACIÓN DE LAS TRES BASES PARA SUJETAR EL DISCO (REDUCCIÓN DE PESO) ... 78
2.4.8.- REALIZACIÓN DE LOS TRES BARRENOS PARA SUJECIÓN DE BARRA Y BASE SOPORTE DEL DISCO. ... 80
2.4.9.-COMO PODER DETALLAR LA PIEZA CON LA HERRAMIENTA DEL FILETEADO (FILLET ... 83
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3 CAPITULO III MODELADO Y ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL DISCO DEL
SISTEMA DE FRENO PARA UN GO-KART... 86
3.1 OBTENCIÓN DEL CUERPO GEOMÉTRICO GENERADO EN CAD. ... 87
3.1.1 INICIALIZACIÓN DEL SOFTWARE DE DISEÑO, MECHANICAL DESKTOP ... 87
3.1.2 EXPORTACIÓN DEL ARCHIVO ES DEL DISCO DE FRENO... 90
3.2 IMPORTACIÓN DE LA GEOMETRÍA DEL DISCO AL SOFTWARE DE ANÁLISIS ESTRUCTURAL. ... 91
3.2.1 INICIALIZACIÓN DEL SOFTWARE PARA EL PROCESO DE TRASLACIÓN, ANSYS WORKBENCH. ... 91
3.2.2 SELECCIÓN DE SISTEMA DE UNIDADES PARA EL DESARROLLO DE LA GEOMETRÍA DE TRABAJO... 93
3.2.3 IMPORTACIÓN DEL ARCHIVO DE LA GEOMETRÍA ... 94
3.3 PROCESO DE SIMULACIÓN DEL ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL MODELO DEL DISCO EN ANSYS... 99
3.3.1 IMPORTACIÓN DEL MODELO GEOMÉTRICO. ... 100
3.3.10 APLICACIÓN DE LA VELOCIDAD ANGULAR ... 118
3.3.2 MODELADO DE LA BALATA... 103
3.3.4 DEFINICIÓN DEL TIPO DE ELEMENTO PARA EL MODELO GEOMÉTRICO ... 107
3.3.5 MALLADO DEL CUERPO GEOMÉTRICO DEL DISCO DEL FRENO ... 109
3.3.6 CONDICIONES DE FRONTERA ... 113
3.3.7 ELECCIÓN DEL TIPO DE ANÁLISIS... 114
3.3.8 APLICACIÓN DE CARGAS... 115
3.3.9 VALOR APROXIMADO DE LA VELOCIDAD ANGULAR EN EL DISCO. .. 118
3.4 SOLUCIÓN Y VISUALIZACIÓN DE RESULTADOS DEL ANÁLISIS... 120
3.4.1 INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS ... 126
4 CONCLUSIÓN ... 127
5 APÉNDICE I DESCRIPCIÓN BÁSICA DEL TIPO DE ELEMENTO ELEGIDO 129 6 APÉNDICE II Tabla de Propiedades Mecánicas, HIERRO GRIS FUNDIDO ... 130
7 APÉNDICE III CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR ... 131
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8 REFERENCIAS... 132 9 BIBLIOGRAFIA... 132
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CAPITULO I.
MARCO TEORICO
1.1 CONCEPTO DE FRENO
Se llama freno a todo dispositivo capaz de modificar el estado de movimiento de un sistema mecánico mediante fricción, pudiendo incluso detenerlo completamente, absorbiendo la energía cinética de sus componentes y transformándola en energía térmica. El freno esta revestido con un material resistente al calor que no se desgasta con facilidad, no se alisa y no se vuelve resbaladizo.
Son elementos de maquinas que absorben energía cinética o potencial en el proceso de detener una pieza que se mueve o de reducirse la velocidad. La energía absorbida se disipa en forma de calor. La capacidad de un freno depende de la presión unitaria entre las superficies de energía que esta siendo absorbida.
El comportamiento de un freno es análogo al de un embrague, con la diferencia que un embrague conecta una parte móvil con otra parte móvil, mientras que el freno conecta una parte móvil con una estructura.
Aunque parezca muy complicado el sistema de frenos de un automóvil es bastante simple (lustración 1.1): se necesitan considerar algunos principios fundamentales de la física. La idea primordial es que para detener un carro pesado, hace falta multiplicar la presión que su pie ejerce sobre el pedal del freno y transferirla a las ruedas, ejerciendo palanca.
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Ilustración 1.1. Sistema de frenado con disco
El pedal del freno esta diseñado de manera tal que multiplica la presión que usted aplica con su pie. Para ello se utiliza una palanca simple que aumenta hasta dos veces dicha fuerza. Esta es transmitida a el embolo del cilindro maestro, que forma parte de la hidráulica de los frenos.
Lo básico que se debe entender de la hidráulica respecto a los frenos es que se transmite la fuerza aplicada de un punto a otro, gracias a un fluido que se resiste a ser comprimido. Pero aquí también se busca multiplicar la fuerza por lo que en el extremo de salida, la presión de su pie en el pedal habrá aumentado unas diez veces por lo menos.
El cilindro maestro esta conectado por tubería con otros cilindros esclavos, que a su vez se conectan con las balatas en cada una de las ruedas.
De esta forma, existe fricción entre los neumáticos y el asfalto, también hay resistencia la deslizar las balatas y los discos del freno.
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Las pastillas y los discos tienen un periodo de vida determinado, cuando las pastillas se gastan, se tiene que ejercer mayor presión sobre el pedal, por que estas no llegan a cubrir bien la superficie del disco o por que el material se ha deteriorado por el uso y ya no ejerce la fricción requerida. El disco puede deformarse por cambios súbitos entre calor y frio, mala ventilación o calidad de los materiales empleados en su fabricación.
También puede rayarse por algún elemento encontrado en caminos diversos. Si los frenos se calientan demasiado cuando se utilizan por periodos prolongados en pendientes pueden presentar una falla temporal. Lo mejor es utilizar la caja de velocidades para detenerse y esperar que en enfríen los discos pastillas y fluido.
1.2 HISTORIA DEL FRENO
La mas reciente evidencia que tenemos acerca de la existencia de la rueda se remonta casi seis mil años. Y sin embargo aun no sabemos cuando ni como surgió la necesidad del impedimento del avance de aquellos vehículos primitivos. El primer freno que puede haber existido tal vez haya sido alguna especie de ancla o algún dispositivo sostenido en el chasis que pudiera haber sido enterrado en la tierra, mientras este se movía. Cuando la bicicleta apareció hace un par de siglos, la única manera de desacelerar era presionando el zapato sobre la rueda aunque era muy peligroso y provocaba cierto desbalance en el aparato. Por eso, en 1783 Kirkpatrick Macmillan, un herrero escocés invento el freno de cuchara que consistía en una palanca que presionaba un bloque de madera contra la llanta.
Posteriormente, una mejoría enorme en el poder de frenado apareció, los frenos de tambor (Ilustración 1.2) de expansión interna, atribuido al francés Louis Renault.
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Ilustración 1.2. Freno de tambor
Inicialmente los tambores eran de acero estampado, lo que aumentaba el ruido de la frenada que generalmente no era muy agradable. Los tambores de hierro fundido aparecieron poco después y en 1919 un diseño hispano-sueco introdujo un aluminio refinado con líneas de hierro. Los frenos de tambor hicieron un buen trabajo, sin embargo la disipación de calor era un gran problema debido a rozamiento entre los materiales y los sistemas de refrigeración no eran lo suficientemente avanzados como para mantener factible este diseño de frenos, y conforme las velocidades de los automóviles fueron aumentando se hacia menos viable.
Alrededor de 1890 entran los frenos de disco (Ilustración 1.3), aunque sea poco creíble una de las primeras versiones de estos frenos fueron usados en las llantas delanteras de un coche eléctrico diseñado por Elmer Ambrose Sperry en 1998, en donde una electroimán atrae un dispositivo protector contra el rotor.
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Ilustración 1.3. Disco de freno
En 1961 apareció el servofreno, como ayuda al esfuerzo que ejerce el conductor sobre el pedal; y en 1965, Volvo añadió una válvula limitadora de presión. En 1963, Mercedes comenzó a instalar de serie sistemas de frenos con 3 circuitos. En la carrera por disipar mejor el calor, en 1966 Porsche lanzó el disco autoventilado.
Abierto ya el camino, la llegada de más sistemas electrónicos a los frenos fue cuestión de tiempo: en 1986 llegó el control de tracción (ASD y ASR) que funciona en conexión con el ABS; en 1994, el ESP; en 1996, y posteriormente la asistencia a la frenada.
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1.3 CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS FRENOS
Frenado con zapatas (Ilustración 1.4), este dispositivo esta constituido por una zapata que se obliga a entrar en contacto con un cilindro solidario al eje cuya velocidad se pretende controlar, la zapata se construye de forma tal que su superficie útil, recubierta de un material de fricción, calza perfectamente sobre el tambor. Una vez más, al forzarse el contacto entre zapata y tambor, las fuerzas de fricción generadas por el deslizamiento entre ambas superficies producen el par de frenado.
Ilustración 1.4. Disco con zapatas Frenos de zapatas de expansión interna (de tambor):
Los frenos de tambor tienen dos zapatas semicirculares (ilustración 1.5) que presionan contra la superficie interna de un tambor metálico que gira con la rueda.
Las zapatas están montadas en un plato de anclaje; este plato está sujeto en la funda del eje trasero en la suspensión para que no gire.
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Ilustración 1.5. Vista interior de un freno de tambor
Cuando el conductor pisa el pedal del freno, la presión hidráulica aumenta en el cilindro maestro y pasa a cada cilindro de rueda. Los cilindros de rueda empujan un extremo de cada zapata contra el tambor, y un pivote, llamado ancla, soporta el otro extremo de la zapata.
En el ancla, generalmente hay un ajustador de freno. Cuando las balatas, que van unidas a las zapatas, se desgastan, hay que acercar más las zapatas al tambor con un ajustador de rosca para mantener la máxima fuerza de frenado. En algunos automóviles se debe hacer un ajuste manual a intervalos de 5,000 a 10,000 kilómetros.
Frenos con discos, el freno de disco consiste en un disco de hierro fundido (ilustración 1.6) o rotor que gira con la rueda, y una pinza o mordaza (caliper) montada en la suspensión delantera, que presiona las pastillas de fricción (balatas) contra el disco.
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Ilustración 1.6. Disco de freno con caliper
La mayoría de los frenos de disco tienen pinzas corredizas. Se montan de modo que se puedan correr unos milímetros hacia ambos lados. Al pisar el pedal del freno, la presión hidráulica empuja un pistón dentro de la pinza y presiona una pastilla contra el rotor. Esta presión mueve toda la pinza en su montaje y jala también la otra pastilla contra el rotor. (Ilustración 1.7)
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Ilustración 1.7. Sistema básico de frenos hidráulicos Este sistema de frenado tiene las siguientes ventajas:
1. No se cristalizan, ya que se enfrían rápidamente.
2. Cuando el disco se calienta y se dilata, se hace más grueso, aumentando la presión contra las pastillas.
3. Tiene un mejor frenado en condiciones adversas, cuando el disco desecha agua y el polvo por acción centrífuga.
Algunas configuraciones frecuentes de los frenos de disco son las siguientes:
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• Frenos de disco cerrado:
El disco se aloja se aloja en un cárter solidario a la rueda. El apriete se efectúa sobre varios sectores regularmente repartidos sobre la periferia, el frenado se obtiene por la separación de dos discos, cada uno de los cuales se aplica contra la cara interna correspondiente del cárter giratorio.
• Freno de disco exterior:
El disco es solidario del árbol o de la rueda. El apriete se efectúa mediante un sector limitado y rodeado por unos estribos, en el interior de los cuales se desplazan unos topes de fricción.
El frenado con discos se puede realizar mediante:
1) Discos: Inicialmente fueron de acero, ahora suelen ser de fundición.
2) Pastillas: Suelen ser de aleaciones de cobre, estos elementos de frenado se colocan en la rueda directamente o en el cuerpo del eje.
Ventajas:
• Frenado poco ruidoso.
- Menores gastos de conservación.
- Mayor periodo de vida.
- La mayor parte del calor desprendido durante el frenado la absorben los discos, a los cuales se les proviene de un sistema de ventilación.
- Materiales protegidos de agentes externos.
- Se comportan bien hasta los 230 Km/h; a partir de esta velocidad el desgaste aumenta considerablemente.
• Mayor distancia de parada
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1.4 CRITERIOS DE DISEÑO PARA DISCOS DE FRENOS
Los discos de freno (Ilustración 1.8) son la superficie contra la cual interactúan las pastillas para frenar el vehículo, debido a que el disco gira solidario con las ruedas. Ese rozamiento entre discos y pastillas produce la transformación de energía cinética en energía calorífica, provocando una reducción de la velocidad.
Los discos de freno no solo deben producir la transformación de energía sino que además deben de conseguir que el calor producido sea transmitido a la atmósfera lo más rápidamente posible, ya que sino, las temperaturas a las que operaría el sistema serían muy elevadas llegando incluso al colapso del sistema.
Ilustración 1.8. Disco de freno
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Este capitulo muestra la metodología empleada para el diseño del disco del sistema de frenado del vehículo gokart, desde el diseño de la geometría hasta la realización de ensayos funcionales.
El desarrollo de discos de freno se aplicar disciplinas tales como Mecánica, Termodinámica, Metalotecnia, Fabricación, Acústica y Vibraciones, Electrónica, etc. Para poder llevar a cabo el diseño, se debe contar por lo menos con un programa de simulación y análisis estructural.
Durante el diseño de los discos de freno, se hace necesario considerar diferentes aspectos geometría, peso, material, máxima temperatura de trabajo, resistencia al agrietamiento, Deformación térmica, colada.
El material escogido para fabricar los discos de freno es la fundición gris nodular de grafito laminar, ya que garantiza una estabilidad de las prestaciones durante el periodo de vida de los discos. Existen también, discos de materiales compuestos en matriz de carbono, usados en la alta competición y en los frenos de los aviones, aunque debido al alto coste que tienen son inviables para los vehículos comunes. En la actualidad se están desarrollando discos de freno en aluminio con una base de carburo de silicio, ya que su menor peso los hacen muy atractivos, pero la mala disipación de calor que tienen los hacen inviables de momento, ya que necesitan un sobredimensionamiento importante que hacen que pierdan las ventajas del reducido peso.
Las características básicas de la fundición de los discos la podemos ver la siguiente tabla.
Propiedades físicas Valores Resistencia a tracción 240 N / mm2
Dureza 170 – 250 HB
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La composición básica del material de los discos es una fundición gris nodular de grafito laminar, que contiene del hierro otros componentes básicos tales como el silicio, manganeso y otros garantizan la calidad de un elemento crítico en el frenado como es el disco. En el gráfico siguiente podemos ver el porcentaje de los diferentes materiales que junto con el hierro, que supone el 93% del total, el resto de materiales suponen entre el 7% y el 8% que resta de la composición total del disco.
Es deseable, en la fase de diseño, poder analizar las distintas alternativas de diseños y materiales, empleando modelos virtuales que reproduzcan el comportamiento térmico y mecánico del freno. Sin embargo, cualquier nuevo diseño debe ser validado bien en banco de pruebas. Ambos modos de estudio, simulación y experimentación deben estar incorporados en la metodología de diseño de discos de freno si se quiere que sea realmente válida.
El conocimiento de las propiedades físicas, tales como las térmicas y las mecánicas, es un importante punto para el diseño de los discos de freno.
El rango de temperaturas de trabajo en los discos es muy amplio y ésta es
la razón para conocer las variaciones de las propiedades frente a la temperatura.
Propiedades como la conductividad térmica, calor específico, expansión térmica y resistencia a la tracción, etc., cambian significativamente sus valores con la temperatura.
El sobredimensionamiento de las superficies de fricción es consecuencia casi exclusiva del problema que plantea la evacuación del calor que se produce en el frenado y que es directamente proporcional a la masa del vehículo al cuadrado de la velocidad del mismo.
El comportamiento de los frenos de disco frente al calor es mejor que el de los de tambor ya que reciben el calor simétricamente sobre las superficies de friccion y las ruedas lo disipan directamente a la atmosfera.
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Esto evita la formación de puntas calientes, grietas y fisuras en el material. En los frenos de tambor el calor debe pasar a través del espesor del material, produciendo fenómenos de dilatación que repercuten en la eficacia del frenado.
1.4.1 EFECTOS DE LA TEPERATURA
Con vistas a reducir el máximo la temperatura alcanzada en las frenadas de parada, es preciso aumentar al máximo la superficie del freno de fricción.
Entre los efectos que origina el aumento de la temperatura en los elementos de frenado esta el fenómeno llamado fading, que consiste en la perdida de eficacia que se manifiesta en determinadas condiciones y circunstancias. Se pueden distinguir diferentes tipos de desvanecimiento o fading.
El desvanecimiento clásico es debido al aumento de la temperatura media delos frenos, cuando se circula por una ruta en que deben usarse con frecuencia. Es característico de los frenos de tambor, la causa de dicho efecto reside en que la dilatación del tambor es mas rápida que la de las zapatas. Con lo cual existe una perdida de la carrera del pedal y disminuye el esfuerzo de frenada. También se origina por la disminución del coeficiente de rozamiento de las superficies frenantes al calentarse. Este fenómeno afecta a disco de tambor y de disco.
El desvanecimiento a altas velocidades es el debilitamiento de los frenos cuando se circula a gran velocidad y se usan repetidamente. Tiene especial interés en los vehículos de competición. Este fenómeno esta motivado por la excesiva disminución del coeficiente de rozamiento.
El desvanecimiento retardado se produce en ciertas ocasiones después de un calentamiento importante y transcurrido un cierto tiempo de haber empleado el freno. Puede ser muy peligroso cuando se afecta por igual a los frenos de un mismo eje y ala repartición de frenada entre ejes. Cuando se produce son necesarios grandes esfuerzos sobre el pedal para obtener la desaceleración deseada.
El desvanecimiento por agua tiene lugar cuando las superficies frenantes son alcanzadas por el agua. Los frenos de disco quedan expuestos a dicha anomalía mas fácilmente que los de tambor.
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1.4.2 LA GEOMETRÍA DEL DISCO DE FRENO.
La geometría de los discos de frenos siempre es la misma, es decir, una superficie circular perfectamente plana. Vamos a ver a continuación, las soluciones que se han ido aportando para mejorar la disipación del calor que almacena el disco.
(Ilustración 1.9)
En primer lugar vamos a ir comentando las diferentes partes de las que está compuesto un disco.
Ilustración 1.9. Geometría de disco de freno
LA PISTA: es la superficie en la cual tiene lugar la acción de fricción entre las pastillas y el disco. Está dimensionada de forma que su potencia de disipación se acerque al valor de 250 W/cm2, pero dicho valor puede variar dependiendo de la geometría del disco, ya que si este es ventilado el valor de la potencia de disipación puede alcanzar un valor de 750 W/cm2. Por encima de dichos valores, pueden aparecer daños en el disco, tales como deformaciones geométricas, grietas, depósitos de material de fricción u otros que dañarían el disco de forma irreversible.
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FIJACIÓN: La fijación de los discos está situada en la parte central del mismo.
Existe un taladro donde se aloja el buje, así como por la parte trasera un chaflán que debe de apoyarse perfectamente en la mangueta para que el ajuste del disco sea perfecto. Alrededor del taladro donde se aloja el buje, la fijación tiene un cierto número de taladro que permiten el paso de los pernos de anclaje de la rueda. En la mayoría de los discos la fijación del disco se garantiza por unos taladros de menor diámetro que fijan el disco.
LA CAMPANA: La campana es el cilindro que une la banda, con el plano de fijación. En algunos casos en el interior de la campana sé esta aprovechando para montar un pequeño sistema de freno de tambor de accionamiento mecánico, con la finalidad de que sirva de freno de estacionamiento
EL FILTRO TÉRMICO: El filtro térmico es un canal mecanizado, que separa la pista de la fijación, para reducir el calor que pasa de la pista hacía la campana.
Con este tipo de canales se evita el calentamiento excesivo de la llanta y por consiguiente del neumático que ya sufre los efectos de la temperatura por su propio uso.
El principio de funcionamiento de los frenos como ya hemos visto anteriormente se basa en que la energía cinética que lleva el vehículo debe de disiparse en forma de calor. Este calor se acumula principalmente en los discos.
Pero lógicamente los discos no pueden almacenarlo infinitamente, sino que debe ser disipado a la atmósfera de una forma eficiente. La forma más sencilla es realizar una circulación de aire que, en contacto con el disco, se caliente y mantenga la temperatura del disco en valores razonables a efectos de su integridad mecánica.
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Los discos deben de desempeñar dos funciones principales: mover el aire a su alrededor como lo haría un ventilador, y transmitir su energía a la atmósfera como lo hace un radiador.
Para cumplir la primera de sus funciones, la propia geometría del disco hace que sea posible la circulación del aire desde la campana hacía el exterior de la pista (ilustración 1.10). Además la velocidad de dicho aire es mayor cuanto mayor sea la temperatura que va adquiriendo. Este proceso se da en los discos macizos, que cumple con su función cuando la energía que han de disiparse es reducida o media. Cuando la energía térmica disipada aumenta, las superficies de un disco macizo ya no son suficientes. Si se intentase aumentar su tamaño tendríamos la limitación impuesta por el tamaño de la rueda por lo cual la solución adoptada por unanimidad es el disco ventilado que permite una mayor disipación térmica en el mismo espacio.
Ilustración 1.10. Campana exterior
El disco ventilado es la composición de dos pistas separadas por aletas en su interior. Estas aletas garantizan la cohesión del disco permitiendo el paso de aire
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por su interior. Gracias a estas aletas, el enfriamiento del disco no solo se produce en la superficie exterior del disco sino que además se produce su enfriamiento por el interior. Este intercambio de energía depende en gran medida de la forma y la orientación de las aletas, ya que en algunos casos las aletas se oponen al movimiento del aire en su interior con lo cual su utilidad es negativa. Por ello debe existir un compromiso entre la eficacia y la orientación - forma de las mismas.
Generalmente son radiales y por lo tanto la colocación de los discos en la rueda izquierda o derecha, no afecta a las propiedades autoventilantes.
Sin embargo existe alguna aplicación en el mercado en la cual las aletas están orientadas de tal forma que obligan a que esos discos sean montados en una rueda o en la otra, ya que no sería eficaz su ventilación si se intercambiara su ubicación. (Ilustración 1.11)
Ilustración 1.11. Aletas de enfriamiento
Una de las mejoras más significativas encaminada a la reducción de la
temperatura que alcanza la campana del disco, se consigue mediante una ranura
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en forma de canal en la zona situada entre la campana y la banda frenante del disco, lo que antes hemos denominado filtro térmico. La sección de paso de calor se reduce, el gradiente térmico aumenta, es decir, la diferencia de temperatura entre un lado del canal y el otro se hace mayor, lo cual hace que la temperatura de la campana sea menor. Esto es muy importante ya que el calor que se transfiere a la llanta y por consiguiente a la goma del neumático es menor, consiguiendo así que no sufra en exceso la carcasa del neumático. También se consigue una reducción en la deformación del disco al reducirse la temperatura de la campana y sus consiguientes tensiones térmicas.
En los discos ventilados la fabricación de un espesor diferente entre las bandas reduce la deformación del mismo. Esto se consigue aumentando el espesor de la pista que va unida a la campana exclusivamente, ya que de aumentar el espesor de las dos pistas, el grueso total del disco aumentaría excesivamente con la necesaria reducción del grueso del material de fricción.
Existen discos fabricados en dos piezas independientes, nacidos para la competición. Estos discos constan de una corona de hierro fundido a modo de pistas frenantes y un buje de aleación de aluminio. Las dos partes son solidarias gracias a unos casquillos de fijación. Durante la frenada el disco presenta dos partes diferenciadas: las bandas frenantes (parte caliente) y la campana (parte fría). Este tipo de disco soluciona los problemas de deformación, ya que las bandas frenantes pueden dilatarse sin provocar tensiones que creen grietas.
Este tipo de discos permite la deformación radial de las pistas evitando las deformaciones permanentes y las tensiones. Además supone una reducción importante del peso del conjunto. Sin embargo, dado su elevado coste, normalmente solo se utiliza este tipo de disco en competición pero son la solución más extendida en las motocicletas.
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1.4.3 PROBLEMAS PRINCIPALES ASOCIADOS A LOS DISCOS.
APRIETE INCORRECTO
El apriete excesivo de los discos crea grietas en la superficie de la campana que apoya sobre el buje. Estas grietas puede no ser visibles, o ser simplemente un principio ser deformación que con el paso del tiempo y los continuos cambios de temperatura, producen, en casos extremos, que se acabe desprendiendo la campana de la banda frenante. Este problema también se produce por no respetar ni el orden de apriete ni las presiones de apriete, determinadas en este capítulo, para los neumáticos.
Esta deformación es perceptible desde el principio del montaje y se detecta por vibraciones tanto en el pedal como en el volante con independencia de la velocidad, de la presión o de la temperatura del sistema de freno, con lo que resulta fácil atribuir este problema a un apriete incorrecto del disco o al montaje de un disco de freno defectuoso o mal mecanizado.
MONTAJE INCORRECTO DE LA PINZA (CALIPER)
Si la pinza no ha sido colocada correctamente en su posición apreciaremos un desgaste irregular de las pastillas en forma cónica y antisimétrica. Se puede apreciar el defecto desde el principio del montaje ya que escucharemos ruidos muy fuertes al frenar, así como el golpeo de las pastillas y una fuerte reducción de la eficacia del sistema de freno. (Ilustración 1.12)
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Ilustración 1.12. Disco defectuoso por mal montaje de la pinza
EXCESIVA HOLGURA DE LOS RODAMIENTOS DEL BUJE
Una excesiva holgura de los rodamientos del buje provoca un desgaste irregular de las bandas frenante de los discos. Se observa un recalentamiento del disco localizado en la zona donde rozaban las pastillas al girar el disco, debido a la holgura en los rodamientos del buje.
Además se aprecia un desgaste excesivo en la zona en la que el contacto era permanente. Se notaran vibraciones frecuentes desde el principio que cada vez se irán haciendo más graves. (Ilustración 1.13)
27
Ilustración 1.13. Disco defectuoso por holguras en los rodamientos.
TEMPERATURA EXCESIVA:
Los discos presentan vivos colores en la gama de los azules, que principalmente son visibles en la zona del filtro térmico donde se une las pistas frenantes con la campana. Esta zona cambia de color al sufrir un calentamiento brusco que transforma la estructura del material. (Ilustración 1.14)
28
Ilustración 1.14. Disco defectuoso por ser sometido a temperaturas excesivas.
El aumento de la temperatura hace variar la estructura del material de los discos que incluso puede formar zonas de cementita (Fe3C), cuya estructura es nefasta para el sistema de frenos. Ya que la cementita es una estructura del hierro muy dura que provoca la aparición de vibraciones en el sistema de freno y un comportamiento del material de fricción diferente cuando entra en contacto con esa parte del disco.
En comparación con el resto de la superficie del disco, en la zona donde se ha formado cementita, el coeficiente de fricción (m) es diferente, lo
tiene como resultado la diferencia de comportamiento del material de fricción en afectada por la transformación de la estructura. Además en esta zona se acumulan tensiones térmicas que favorecen la aparición y propagación de grietas.
29
Para que este problema no aparezca es necesario el rodar las pastillas y los discos nuevos durante unos 250 o 300 km. Periodo durante el cual las frenadas deben de ser suaves y progresivas. Y luego durante la vida de los discos evitar el calentamiento excesivo de los mismos.
Dicho calentamiento excesivo, suele tener los orígenes claramente diferenciados:
una conducción en condiciones límite, o la costumbre de algunos conductores de mantener el píe sobre el pedal, ejerciendo poca presión, en descensos prolongados para retener el vehículo.
Este problema provoca vibraciones en los discos debido a las transformaciones estructurales del disco sufridas por los excesos de temperatura. Además estas vibraciones se harán cada vez más pronunciadas con el paso de los kilómetros.
DESGASTE POR ENCIMA DEL LÍMITE MÁXIMO.
Cuando el disco ha sido usado más allá de su vida útil es decir, cuando se han sobrepasado el espesor mínimo expresado por el fabricante, aparece un escalón en las pistas del disco que provoca una reducción de la masa del disco. Esto produce la mala disipación del calor debida a la perdida de masa comentada anteriormente. Lo que llevará a un calentamiento excesivo, provocando la aparición de grietas, así como manchas de color más oscuro debido al sobrecalentamiento de dichas zonas. (Ilustración 1.15)
30
Ilustración 1.15. Disco defectuoso por un excesivo superior a su límite máximo.
Es importante recordar que la perdida de masa del disco provoca que disminuya la conductividad térmica del mismo con lo cual se produce un aumento de la temperatura mucho mayor y más rápida. Debido a ese exceso de temperatura los discos se deforman con la consiguiente aparición de ruido y vibraciones.
DISCOS AGRIETADOS
Los discos han sido sometidos a temperaturas de funcionamiento muy altas. En la parte exterior del disco se ven claros síntomas de sobrecalentamiento. Las altas temperaturas favorecen la aparición de las grietas, las cuales se forman al existir pequeños poros en el material, los cuales debido a las altas temperaturas, crecerán hasta forman la grieta. Las grietas hacen que el disco sea frágil, lo cual en definitiva, favorece el crecimiento de la grieta hasta romper en los partes el disco. (Ilustración 1.16)
31
Ilustración 1.16. Disco defectuoso por un la aparición de grietas.
Las grietas se producen debido a las deformaciones a las que son sometidos los discos y los impactos que las pastillas producen sobre los mismos. Se provocan vibraciones y existe la posibilidad de que una de las grietas crezca tanto que rompa el disco, con el consiguiente riesgo que ello conlleva. Antes de llegar a la rotura del disco, las características fricciónales del conjunto pastilla / disco se ven fuertemente alteradas como consecuencias de la ruptura de la tercera capa.
Con resultados imprevisibles sobre el frenado del vehículo y en cualquier caso mostrando un desgaste prematuro de las pastillas de freno. En la imagen vemos como el desgaste prematuro de las pastillas ha hecho muescas en el disco. Se aprecia claramente el surco que el soporte de la pastilla ha dejado sobre el borde exterior del disco.
32
1.5 METODO DEL ELEMENTO FINITO (FEM)
El método del elemento finito (MEF en castellano o FEM en inglés) es un método numérico muy general para la aproximación de soluciones de ecuaciones diferenciales parciales muy utilizado en diversos problemas de ingeniería y física.
El método se basa en dividir el cuerpo, estructura o dominio (medio continuo)
—sobre el que están definidas ciertas ecuaciones integrales que caracterizan el comportamiento físico del problema— en una serie de subdominios no intersectantes entre sí denominados «elementos finitos». El conjunto de elementos finitos forma una partición del dominio también denominada discretización.
Dentro de cada elemento se distinguen una serie de puntos representativos llamados «nodos». Dos nodos son adyacentes si pertenecen al mismo elemento finito; además, un nodo sobre la frontera de un elemento finito puede pertenecer a varios elementos.
El conjunto de nodos considerando sus relaciones de adyacencia se llama
«malla». (Ilustración 1.17)
33
Ilustración 1.17. Malla en 2D
Los cálculos se realizan sobre una malla o discretización creada a partir del dominio con programas especiales llamados generadores de mallas, en una etapa previa a los cálculos que se denomina pre-proceso.
De acuerdo con estas relaciones de adyacencia o conectividad se relaciona el valor de un conjunto de variables incógnitas definidas en cada nodo y denominadas grados de libertad. El conjunto de relaciones entre el valor de una determinada variable entre los nodos se puede escribir en forma de sistema de ecuaciones lineales (o linealizadas).
La matriz de dicho sistema de ecuaciones se llama matriz de rigidez del sistema. El número de ecuaciones de dicho sistema es proporcional al número de nodos.
34
Típicamente el método de los elementos finitos se programa computacionalmente para calcular el campo de desplazamientos y, posteriormente, a través de relaciones cinemáticas y constitutivas las deformaciones y tensiones respectivamente, cuando se trata de un problema de mecánica de sólidos deformables o más generalmente un problema de mecánica de medios continuos. (Ilustración 1.18)
Ilustración 1.18. Solución en MEF en 2D
35
El método de los elementos finitos es muy usado debido a su generalidad y a la facilidad de introducir dominios de cálculo complejos (en dos o tres dimensiones).
Además el método es fácilmente adaptable a problemas de difusión del calor, de mecánica de fluidos para calcular campos de velocidades y presiones (fluidodinámica CFD) o de campo electromagnético.
Dada la imposibilidad práctica de encontrar la solución analítica de estos problemas, con frecuencia en la práctica ingenieril los métodos numéricos y, en particular, los elementos finitos, se convierten en la única alternativa práctica de cálculo.
Una importante propiedad del método es la convergencia; si se consideran particiones de elementos finitos sucesivamente más finas, la solución numérica calculada converge rápidamente hacia la solución exacta del sistema de ecuaciones.
36
1.6 FUNDAMENTOS ESTRUCTURALES¡Error! Marcador no
definido.1.6.1 Relación Esfuerzo-Deformación
Esta sección discute la relación de material para materiales no lineales.
El esfuerzo se relaciona a la deformación por:
{σ}=[D]{εеl} Donde:
{σ} = Vector Esfuerzo =[σx σy σz σxy σyz σxz]T
[D] = Elasticidad o matriz de rigidez elástica o matriz de esfuerzo deformación
{εel} = {ε} - {εth} = vector de deformación elástica
{ε} = vector deformación total =[εx εy εz εxy εyz εxz]T {εth} = vector deformación térmica
Nota
{εel} son las deformaciones que causan esfuerzos.
La deformaciones por cortante (εxy, εyz, and εxz) son dos veces las deformaciones por cortante en tensión. La notación ε es comúnmente usada para las
deformaciones por cortante en tensión.
37
La convención de signos para esfuerzos directos y deformaciones usada es que la tensión es positiva y compresión es negativa. Para cortantes, positivo es cuando los dos ejes positivos aplicables rotan una hacia la otra.
Definición del vector de esfuerzo
La ecuación también podría ser invertida como:
{ε}=[D]{εth}+[D]1{σ}
La flexibilidad o matriz de cumplimiento, [D]-1 es:
Donde los términos típicos son:
Ex = modulo de Young en la dirección de x
νxy = relación mayor de Poisson
38
νyx = relación menor de Poisson
Gxy = modulo de cortante en el plano xy
También las matriz [D]-1 se presume es simétrica, entonces:
=
=
=
Ya que las tres relaciones anteriores, νxy, νyz, νxz, νyx, νzy, y νzx no son cantidades independientes. El uso de la relación de Poisson para materiales ortotropicos algunas veces causa confusión, por lo tanto se debe tener cuidado en su uso.
Asumiendo que Ex es mas grande que Ey, νxy es mas grande que νyx . Por lo tanto, νxy es comúnmente referido como “ la relación de Poisson mayor”, esto por que mas grande que νyx, que es comúnmente referido como la “relación de Poisson menor”.
Expandiendo la ecuaciones anteriores,
=
39
=
=
=
=
=
Donde los términos típicos son:
εx = deformación directa en la dirección de x σx = esfuerzo directo en la dirección de x εxy = deformación cortante en el plano x-y σxy = esfuerzo cortante en el plano x-y
Desarrollando las ecuaciones y combinado los resultados para obtener las sies ecuaciones explicitas:
=
=
40
=
=
=
= Donde:
h=
La matriz [D] debe ser definitivamente positiva. El material es siempre es definitivo positive si el material es isotropic o si νxy, νyz, y νxz son todos cero.
1.5.2 Transformación de Materiales Ortotropicos
La conversión del modulo de Young es bastante directo, considerar primero como se transforma de su sistema global cilíndrico a el sistema global cartesiano como se usado por los elementos simétricos para un disco.
Esto es, ER → Ex, Eθ → Ez, EZ → Ey. comenzando con el sistema global cartesiano.
=
Reordenado para que los ejes R-θ-Z coincidan con los ejes x-y-z.
41
=
Si uno de los sistemas coordinados usa la relación de Poisson mayor y la otra usa la relación de poisson menor se tendrá que hacer un ajuste adicional.
Comparando las ecuaciones resultara:
=
=
=
=
=
=
Esto asumiendo que νxy, νyz, νxz and νRZ, νRθ, νZθ son todos relaciones de Poisson mayores.
= = relación de Poisson mayor
42
2
CAPITULO II
DISEÑO DE UN DISCO Y SOPORTE DE ESTE PARA UN FRENO EN MECHANICAL DESKTOP
2.1 DIBUJO DE SÓLIDOS ASISTIDOS POR COMPUTADORA
2.1.1 DEFINICIÓN DE DISEÑO
Diseño se refiere al proceso de creación y desarrollo para producir un nuevo objeto para uso humano.
Es el proceso previo de configuración mental "pre-figuración" en la búsqueda de una solución en cualquier campo, es decir, Plasmar el pensamiento de la solución mediante esbozos, dibujos, bocetos o esquemas trazados en cualquiera de los soportes, durante o posteriores a un proceso de observación de alternativas o investigación. Esta herramienta es aplicada en muchas disciplinas ingeniería, arquitectura y otras disciplinas creativas.
El diseñar requiere principalmente consideraciones funcionales y estéticas.
Esto necesita de numerosas fases de investigación, análisis, modelado, ajustes y adaptaciones previas a la producción definitiva del objeto. Además comprende multitud de disciplinas y oficios dependiendo del objeto a diseñar y de la participación en el proceso de una o varias personas.
Comprende al final del proceso de diseño (dibujo, proyecto, maqueta, plano o descripción técnica), o (más popularmente) al resultado de poner ese plan final en práctica (el objeto producido).
43
2.1.2 DEFINICION DE MODELADO GEOMÉTRICO
El modelado forma parte del diseño y se define de la siguiente manera: la creación de una estructura o imagen de un objeto real o a partir de un modelo ya existente. El modelado se refiere generalmente a la creación manual de una imagen tridimensional (modelo) del objeto real, por ejemplo en arcilla, madera u otros materiales.
-Modelado de sólidos paramétrico.
Es un fácil diseño en 3D que incluye herramientas de cálculo de propiedades físicas, gestión de restricciones geométricas y operaciones de modelado.
-Modelado de superficies complejas.
Diseño de superficies complejas y fácil manipulación basadas en modelos alámbricos, mediante operaciones como solevados, extrusiones, o revoluciones. A partir de las superficies se puede además generar modelos sólidos en 3D.
-Gestor de dibujo asociativo.
Generación automática de vistas asociativas bidireccionales detalladas con listados de materiales y marcas de piezas.
44
2.2 DISEÑO DE UN DISCO DE FRENO VENTILADO PARA UN GO KART
2.2.1 MECHANICAL DESKTOP
El Autodesk Mechanical Desktop, que forma parte ahora del Autodesk Inventor Series, nos permite llevar a cabo prácticamente todas las tareas en 2D y 3D de diseño, análisis y fabricación necesarias para la producción, desde un único entorno (basado en AutoCAD), de forma rápida y económica
El Autodesk Mechanical Desktop es un completo y poderosos modelador paramétrico de sólidos, ensambles y superficies para el diseño de partes complejas, completamente integrado dentro del AutoCAD.
Antes de comenzar tomemos en cuenta que Mechanical Desktop no tiene noción sobre el tipo de pieza que estamos diseñando, si de manera previa no se realiza una Parametrización completa es posible que Mechanical Desktop altere la geometría de manera poco lógica, creando que la misma se intercepte entre si o se deforma. Esto permite suponer que la mayor parte del trabajo de Parametrización será por así decirlo de corregir o guiar a Mechanical.
45
2.3 PASOS PARA DISEÑO DE UN DISCO EN MECHANICAL DESKTOP 2.3.1 CONFIGURACIÓN DE UNA HOJA DE DISEÑO EN MECHANICAL DESKTOP.
-Una vez abierto un archivo nuevo, comencemos por la configuración de Layers, limites, grids y snap. Se recomiendan unos limites de 280,215 (tamaño carta), un gris de 10 mm y un snap de 5.00 mm, ver la ilustración I.
Ilustración 2.1
46
2.3.2 GENERACIÓN DE LAYERS.
-Para generar los layers seleccione el icono de INSERT en la barra de Mechanical Main, luego aparece una ventana, seleccionamos LAYOUT, NEW LAYOUT, nos pide un nombre y un color, ver la ilustración 2
Ilustración 2.2
47
2.3.3 COMO HACEMOS UN CIRCULO.
-Comenzamos con la operación de un circulo 160mm en 2D, para esto se debe de buscar en la barra de menú principal el comando DESIGN luego se abre una ventana con varias opciones y seleccionamos la opción de CIRCLE despliega otra ventana, escogemos la opción de CENTER, RADIUS, en seguida nos pide un punto donde empezara desde el centro hacia fuera como se muestra en esta ilustración 3
Ilustración 2.3.Ventanas que despliega para la operación de un círculo
48
-Después de haber hecho la operación anterior se mostraran en pantalla los círculos, Checa la ilustración 2.4.
Ilustración 2.4
49
2.3.4 COMO CREAR UN PROFILE DE UN DIBUJO.
-Una ves que se tiene el contorno del disco a diseñar se tiene que hacer una sola pieza es decir que no tenga la línea descontinuada para esto se debe de hacer un PROFILE A SKETCH , para esto debemos seleccionar el icono pro file que se encuentra en la barra de herramientas del lado izquierdo de la pantalla, después nos pide que seleccionemos el objeto u objetos para poder hacerlo una sola línea , damos clik derecho , enter y en la ventana del lado izquierdo aparecerá un icono el cual tendrá como nombre PROFILE 1, en la ilustración 5 nos muestra como debe de quedar.
Ilustración 2.5
50
-En la parte izquierda de la pantalla en el BROWSER nos debe aparecer la operación como lo muestra en la ilustración 6.
Ilustración 2.6
51
2.3.5 OPERACIÓN DE EXTRUSIÓN.
-Buscamos el icono de Extrusión en la barra de herramientas izquierdo, clik izquierdo.
-Nos aparece una ventana que nos pide una distancia la cual conocemos como
“ancho” , en la parte de abajo nos pide desde donde quieres que empiece la operación de este objeto , como lo muestra en la ilustración 7.
Ilustración 2.7
2.3.5.1 IDENTIFICACIÓN DE LA OPERACIÓN DE EXTRUSIÓN RESUELTA.
52
-Cuando ya se tiene esta operación debe de aparecer en la ventana de BROWSER, como lo muestra en la ilustración 8.
Ilustración 2.8
53
2.3.5.2 COMO HACER LA IMAGEN EN UN SÓLIDO.
-Después de tener la operación de extrusión para poder corroborar como lo dibujo podemos checarlo.
-En la barra de herramientas de la parte superior derecha localizamos el icono TOGGLE SHADING/WIREFRAME, le damos clik izquierdo y nos debe de aparecer el dibujo que hemos estado dibujando pero en sólido, ver ilustración 9.
Ilustración 2.9
54
2.3.6 REALIZACIÓN DE LOS TRES BARRENOS DE SUJECIÓN DEL DISCO (GUÍA PARA LOS TORNILLOS).
-En este paso lo que se debe considerar es una guía para meter los tornillos de sujeción que son 3 como se muestra la figura para esto tenemos que hacer primero un circulo de diámetro 20mm,
-Se realizo un pro file a este circulo.
- Para poder hacer una perforación al disco se considero como una extrusión pero con el modo de cortar
-La profundidad del corte fue de 1mm, solo fue para tener una guía del tornillo, como lo muestra la ilustracion10.
Ilustración 2.10
55
2.3.6.1 CONVERTIR LOS CÍRCULOS Y LAS OPERACIONES EN UN SÓLIDO.
-Para asegurarnos del termino de esta extrusión podemos verlo seleccionando el icono de sólido, en cuanto nosotros seleccionamos el icono la figura se volverá sólido así se podrá ver lo que se hizo, como lo muestra en la ilustración 11.
Ilustración 2.11
56
2.3.7 PERFORACIÓN DE LOS TRES BARRENOS DE SUJECIÓN DEL DISCO.
-En este siguiente paso se hará lo mismo que el anterior solo que con un diámetro más pequeño, el cual tiene un radio de 5mm, así como lo muestra la ilustración 12 estará más pequeño que el anterior
Ilustración 2.12
57
2.3.8 DISTRIBUCIÓN ADECUADA DE LOS TRES BARRENOS, UTILIZACIÓN DEL COMANDO ARRAY.
-Una vez que se tiene el círculo adecuado se recomienda que para tener una buena distribución adecuada se utilice el comando ARRAY el cual nos ayudara para tener una distribución geométrica de los tres barrenos.
-Se hace nuevamente un pro file
En la ilustración 13 nos muestra lo sucedido con el comando array.
Ilustración 2.13
58
-Después de realizar el pro file, se hace la extrusión la cual nos despliega una ventana que nos pide que operación, CUT, JOIN, INTERSECT, escogemos la opción CUT.
-Debajo de esa operación tenemos otra la cual nos pide que tipo de corte quiere que haga, escogemos la operación THRONGH para que pueda atravesar el sólido como lo muestra en la ilustración 14.
Ilustración 2.14
59
-Para poder mostrar el disco en sólido damos clik en el icono para sólido que ya mencionamos anteriormente, como en la ilustración 15.
Ilustración 2.15
-Así podremos ver lo que hizo después de darle la operación anterior, las perforaciones en el disco, ver ilustración 16.
Ilustración 2.16
60
2.3.9 DISEÑO PARA EL ALIGERAMIENTO DEL DISCO.
-En este diseño del disco se agregaron unos dibujos los cuales conocemos como perfiles, para tener un poco mas de estética y para tener un mejor enfriamiento del material
-Se hizo el dibujo con arcos, círculos.
-Para cortar se utilizo el comando TRIM, la cual nos pide que seleccionemos todos los elementos, luego le damos enter y nos pide que seleccionemos la parte a eliminar u cortar y nos queda como en la ilustración 17
Ilustración 2.17
61
2.3.10 COMO REALIZAR LAS FIGURAS (PERFILES) ALREDEDOR DEL DISCO EN UNA FORMA SIMÉTRICA.
-Para poder hacer los 8 juegos de esta figura sobre el disco en la parte donde frena la balata utilizamos el comando ARRAY
-Este comando nos ayuda para tener una forma adecuada de distribución de los elementos a copiar.
-Primero nos despliega una ventana la cual nos pide si es polar o rectangular, la cual debe ser polar,
-Numero de repeticiones, que en este caso son 8
-Seleccionar un centro para tomarlo como referencia para poder rotar las demás imágenes.
En la ilustración 18 lo muestra.
Ilustración 2.18
62
- Tenemos la operación resuelta y lo podemos ver en la ilustración 19 siguiente.
Ilustración 2.19
-Volvemos ala extrusión igual que en las operaciones anteriores
Ilustración 2.20
63
- Así nos queda el sólido con nuestros 8 pares de perfiles.
-Si nos podemos percatar los 8 pares están simétricos, en cuanto a distancia y figura, lo podemos ver en la ilustración 21
Ilustración 2.21
64
2.3.11 REALIZACIÓN DE UNOS BARRENOS EN EL DISCO PARA UNA MEJOR VENTILACIÓN DEL MISMO
-Para poder hacer mas ligero este disco se recomendó hacerle unos barrenos los cuales ayudaran a enfriar a un mas el disco y para poder hacerlo utilizamos el comando ARRAY.
-Este comando nos pide lo mismo que en los pasos anteriores solo cambia la figura que seleccionamos, checar la ilustración 22.
Ilustración 2.22
65
-Con esta operación podremos hacer una serie de repeticiones para estos círculos los cuales deben estar simétricos alrededor del disco, cuando nos aparece un cuadrito color blanco en la pantalla podremos seleccionar el dibujo.
En la ilustración 23 nos muestra el cuadro.
Ilustración 2.23
66
-Luego nos pide que seleccionemos un centro que utiliza para que rote el dibujo, ver ilustración 24
Ilustración 2.24
- Después de esta operación así nos queda el disco con unos barrenos simétricos como lo muestra la ilustración 25
Ilustración 2.25
67
2.3.12 EN LA ILUSTRACIÓN 26 NOS MUESTRA COMO QUEDA EL DISCO YA TERMINADO EN EL PROGRAMA MECHANICAL DESKTOP.
Ilustración 2.26 Disco terminado
68
2.4 DISEÑO DE UNA BASE SOPORTE PARA EL DISCO
En este segundo diseño tomaremos en cuenta varios puntos como son:
1.-Las dimensiones de las perforaciones del disco, la cual tenemos tres perforaciones al centro de este disco.
2.- Se tendrá que investigar que diámetro tiene la flecha para poder adecuarnos a este tipo de diámetros y poder dejarlo justo.
3.-Tomaremos en cuenta el diámetro de la flecha para poder fijar esta base soporte en ella.
4.- Este soporte estará sujeto ala flecha por medio de un prisionero, tendremos que investigar que tipo de prisioneros tenemos en el mercado para poder seleccionar uno que se adecue a nuestro proyecto.
69
2.4.1 LIMITES PARA LA HOJA A TRABAJAR.
-Comenzamos con nuestros limites de la hoja.
-Barra de menú superior dar clik izquierdo en el icono donde esta el comando ASSISTl←
FORMAT←
DRAWING LIMITS←
Después de esto nos pide las dimensiones, deben ser 280,215 para poder trabajar en una hoja adecuada, como lo muestra la ilustración 27.
Ilustración 2.27 Limites de la hoja
70
2.4.2 CONFIGURACIÓN DE UNIDADES PARA TRABAJAR EN LA HOJA.
-El siguiente paso es tener el sistema adecuado para trabajar, ya se en milímetros o en pulgadas.
-Nos vamos al mismo icono ASSIST←
-Despliega otra ventana la cual seleccionamos FORMAT←
-Seleccionamos UNITS←
-Después de este paso despliega otra ventana y volvemos a escoger UNITS←
Ver ilustración 28.
Ilustración 2.28
71
-En esta ventana nos aparece un cuadro que nos dice TYPE: escogemos DESIMAL.
-En el siguiente cuadro nos dice PRESICION: podemos poner desde decimales hasta millonésimas, pero para este trabajo no requiere de gran precisión ya que es una pieza que tiene tolerancia.
-Debajo de esta ventana nos pide en que unidades queremos trabajar le colocamos MILIMETROS←
-Después de colocar todos estos parámetro dentro de esta ventana le damos OK para que continuemos con el diseño de esta base,como lo muestra en la ilustración 29.
Ilustración 2.29
72
2.4.3 REALIZACIÓN DE LOS CÍRCULOS PARA LA BASE SOPORTE DEL DISCO.
-Para poder hacer los círculos debemos de seleccionar en la barra superior el icono que dice DESIGN←
-Despliega una ventana la cual tenemos que escoger CIRCLE, en seguida despliega otra ventana y seleccionamos CENTER, RADIUS ←
-Sucesivamente repetimos los mismos pasos para poder hacer los demás círculos como lo muestra la ilustración 30.
Ilustración 2.30
73
2.4.4 COMO TRABAJAR CON LA HERRAMIENTA PROFILE EN EL DIBUJO.
-En la barra izquierda de este programa aparece el icono que nos dice PROFILE A SKETCH ←
-Una vez seleccionado el icono nos dice que seleccionemos el objeto, seleccionamos el objeto y damos clik derecho←
- En la ventana izquierda donde dice Desktop Browser nos debe de aparecer un icono que dice profile, nos indica que la operación esta realizada, como lo podemos ver en la ilustración 31.
Ilustración 2.31
74
2.4.5 COMO PUEDE VERIFICAR ESTA OPERACIÓN SI ESTA REALIZADA.
-Para poder hacer estos simples círculos en un sólido realizamos lo siguiente.
-Seleccionamos el icono que nos dice SKETCHED FEATURES-EXTRUDE, le damos clik izquierdo.
-Nos aparece una ventana la cual nos pide hacia que punto quiere que realice la operación, una distancia, tipo de operación de la extrusión.
-Después de esto le damos OK
-Esta operación debe ser para los tres círculos, aunque en alguno cambie la distancia por una operación de corte como lo muestra en la ilustración 32.
Ilustración 2.32 operación de extrusión
75
-Como podemos ver las extrusiones en la ventana de Desktop Browser son iguales pero en el dibujo cambian, esto se debe al tipo de operación ya se CUT o JOIN, dimensión que se edito en cada extrusión.
Para poder ver esta operación de extrusión en el objeto, lo que realizamos fue darle clik en el icono de la barra de menú superior que nos dice Toggle Shading/Wireframe y nos muestra la pieza en sólido como lo muestra la ilustración 33.
Ilustración 2.33
76
2.4.6 PERFORACIÓN DE LA PIEZA PARA SUJETAR DE ESTOS TRES BARRENOS AL DISCO.
-Comenzamos con un círculo de 10mm.
-Se tiene que hacer un PROFILE luego una EXTRUSION como en le caso anterior.
-Después de este dibujo, una vez ya centrado el círculo seguimos con la operación del comando ARRAY.
-Este comando nos despliega la una ventana la cual nos pide si es rectangular o polar, le damos POLAR.
-Debajo de esta nos pide que seleccionemos un centro la cual debe ser el centro de un círculo, nos pide seleccionar el objeto a copiar
-Luego nos pide el número de veces a repetir este circulo.
- Se tiene que hacer un PROFILE luego una EXTRUSION como en el caso anterior, se muestra en la ilustración 34.
77
Ilustración 2.34
2.4.7 REALIZACIÓN DE LAS TRES BASES PARA SUJETAR EL DISCO (REDUCCIÓN DE PESO)
-Para este tipo de carros lo que se debe tomar en cuenta es el peso por lo que optamos por reducir peso en cada pieza a fabricar, claro considerando su nivel estructural.
Para este diseñó se opto por cortar el primer circulo, el cual se hará una base mas delgada como se muestra en la ilustración 35.
-Bueno para este soporte se hicieron las siguientes operaciones:
-Un círculo de 25 de diámetro.
-Unas líneas tangentes al círculo pero hacia dentro.
78
Ilustración 2.35
-Con el comando TRIM cortamos la parte sobrante.
-Nos pide seleccionar todos los elementos y le damos enter, enseguida nos pide los elementos a eliminar de este dibujo.
-Así podemos tener menos peso.
-Después de haber realizado estas operaciones , seguida de un profile y una extrusión la base nos queda como se muestra en la ilustración 36.
79
Ilustración 2.36
2.4.8 REALIZACIÓN DE LOS TRES BARRENOS PARA SUJECIÓN DE BARRA Y BASE SOPORTE DEL DISCO.
-En este paso se trabajara en la parte superior de la pieza la cual se harán las perforaciones en la parte donde entrara la flecha, esto servirá para sujetar el aditamento que se utilizara para poder fijar de una manera segura la pieza con la flecha.
-Creamos un plano de trabajo con el icono que nos dice Work Features-Work Plane el cual lo queremos al centro de esta figura.
-Nos despliega una ventana la cual tiene cuatro opciones, escogemos la que nos dice Work Axis, como nos muestra la ilustración 37.
80
Ilustración 2.37
-Una ves que tenemos este plano en la figura creamos otro plano de trabajo, este plano nos servirá para poder hacer un circulo.
81
Ilustración 2.38
-Sobre estos planos de trabajo se deberá trabajar para poder hacer los barrenos de sujeción.
-En el plano paralelo dibujamos un círculo, después lo hicimos un profile y después lo destruimos con la operación de CUT.
-Utilizamos la operación de Pattern.
82
