iii Agradezco…
Agradezco a quien me presta la vida y me da fuerzas para seguir adelante.
A mi hijo Arodi Jafet Cuevas, por haber comprendido que el esfuerzo es en beneficio de nosotros, espero poder ser un ejemplo para ti y me permitas recuperar el tiempo que nos falto para convivir.
A mis padres y hermanos por su apoyo incondicional en las buenas y en las malas, por haberme apoyado en todo momento y brindarme su confianza.
Por supuesto a todas las personas del Instituto Politécnico Nacional, en especial al personal que trabaja en esta Escuela, desde el personal de apoyo hasta el personal directivo, a todos mis maestros Gracias.
Puedo decir de manera personal me considero afortunado ya que todo el personal de esta Escuela me brindo el apoyo para cumplir mi objetivo.
A mis compañeros y más aun a mis amigos, de ellos expreso que fueron extraordinarios compañeros de estudio pero sobre todo grandes personas nunca olvidare los momentos en que me ayudaron a lograr mi meta y por su puesto cuando me levantaron moralmente.
A las instituciones que me brindaron la oportunidad de ser un profesionista más de este país por supuesto la institución donde trabajo y en la que alcance mi meta de ser Ingeniero.
Agradecer personalmente a todos aquellos que me apoyaron durante mi carrera seria como tener que escribir otra cantidad de páginas como las de este trabajo, a todos Sinceramente Gracias.
Oscar Cuevas Resendiz Soñar significa tener metas y tratar de alcanzarlas.
Dejar de soñar es conformarse con lo que tienes.
iv Agradezco…
A mi Dios todo poderoso que me ha conservado con vida, con salud, que me ha guiado y cuidado hasta el día de hoy.
A mis padres queridos, Abraham e Irene, porque ustedes se sacrificaron y lo dieron todo para yo el día de hoy vea concluida una etapa más en mi formación integral.
A mis hermanos, ya que de una u otra forma siempre han estado presentes.
A mi esposa Elizabeth, sabiendo que jamás existirá una forma de agradecer una vida de lucha, sacrificio y esfuerzo constantes, sólo deseo que entiendas que el logro mío, es el logro tuyo y que mi esfuerzo es por ti.
Y como un testimonio de gratitud ilimitada, a mis hijos, Alejandra y Luis Ángel, porque su presencia ha sido y será siempre el motivo más grande que me impulsa para lograr mis metas.
A Pedro, con admiración y respeto, por estar ahí cuando más lo necesite…y a María del Pilar por el apoyo brindado en estos años de estudio.
A mis maestros por su paciencia y comprensión.
A mis asesores, Abel y Juan Carlos por su disposición y ayuda brindada.
Y por último a mis amigos por su confianza y lealtad…
… sinceramente, Alejandro Gutiérrez
Hasta el viaje más largo comienza por el primer paso Proverbio chino
“DISEÑO Y ANÁLISIS DE LA DIRECCIÓN PARA UN GO KART”
“Investigar significa pagar la entrada por adelantado y entrar sin saber lo que se va a ver”
(Oppenheimer)
vi
ÍNDICE
Pág.
Índice vi
Resumen x
Introducción xii
Historia de los karts xiv
Objetivo General y Específicos xviii
Justificación y Alcance xix
Metodología xx Nomenclatura xxi
CAPÍTULO I.- METODOLOGÍA GENERAL DEL DISEÑO
.1.1 Introducción 2
1.2 Etapas del diseño 3
1.3 Selección de materiales 7
1.4 Factores que intervienen en la selección de materiales. 7 1.4.1 Restricciones relacionadas entre sí. 7
1.4.2 Factores de forma 8
1.4.3 Fallas de materiales y de componentes como fuentes de experiencia de ingeniería 9
CAPÍTULO II PROGRAMAS DE COMPUTO ESPECIALIZADOS EN DISEÑO MECÁNICO
2.1 Diseño asistido por computadora 11
2.2 Fabricación asistida por computadora 14
2.3 Método de elemento finito 16
vii
CAPÍTULO III TEORÍA DEL SISTEMA DE DIRECCIÓN
Pág.
3.1 Introducción 20
3.2 Teoría del sistema de dirección 20
3.2.1 Ángulo de salida 21
3.2.1.1 Influencia del ángulo de salida sobre la
dirección 22
3.2.1.2 Valores comunes del ángulo de salida 23
3.2.2 Ángulo de caída 23
3.2.2.1 Usos del ángulo de caída y su influencia
sobe el vehículo 24
3.2.2.2 Valores comunes del ángulo de caída 25 3.2.2.3 Regulación del ángulo de caída 26 3.2.2.4 Determinación del ángulo de caída 27 3.2.3 Ángulo de avance del pivote de dirección 29
3.2.3.1 Influencia del ángulo de avance en la dirección 30 3.2.3.2 Efectos del ángulo de avance 31 3.2.3.3 Determinación del ángulo de avance 33 3.2.3.4 valores comunes del ángulo de avance 33 3.2.4. Efectos de los ángulos de salida, caída y avance
en la convergencia 34
3.2.5. Convergencia y divergencia 36
3.2.5.1 Función de la convergencia y la
divergencia 37
3.2.5.2 Cuando utilizar convergencia o divergencia 38 3.2.5.3. Determinación del ángulo de convergencia 41 3.2.5.4 Qué valores de convergencia utilizar 42 3.2.5.5 Como regular la convergencia o la
divergencia 43
viii
Pág.
3.2.6 Efecto Ackerman o ángulo de viraje 44 3.2.6.1 Cómo influye el efecto Ackerman 48 3.2.6.2 Cómo se regula el efecto Ackerman 49 3.2.7 Combinaciones del efecto Ackerman con la
convergencia 50
3.3 Cotas de reglaje de la dirección 51
3.4 Análisis de la teoría de Ackerman y Jeantaud para establecer el diseño y geometría de la dirección prototipo a utilizarse en un Go kart
52
3.4.1 Deducción de las ecuaciones básicas para el
trazado de la geometría de una dirección 55
CAPÍTULO IV CÁLCULO GEOMÉTRICO A PARTIR DEL DISEÑO CONCEPTUAL
4.1 Acotación del diseño conceptual 71
4.2 Cálculos para obtener el ángulo de giro alfa (α) 73 4.3 Determinación de longitud de biela (r) y barra de
acoplamiento Lb, en función de la vía (a) y de la batalla (b)
75
4.4 Determinación de la curva de error y línea ideal 79
CAPÍTULO V DISEÑO Y MODELADO
5.1 Introducción 83 5.2 Diseño y Modelado del Sistema de Dirección 85
5.2.1 Primer Grupo “Conjunto del Sistema de
Suspensión” 85
5.2.2 Segundo Grupo “Conjunto Soporte Principal de la
Dirección” 90
ix
Pág.
5.2.3 Tercer Grupo “Componentes Complementarios” 91
5.2.4 Ensamble 91
5.3 Diseño y modelado de la mangueta basado en una memoria de cálculo
92
5.3.1 Ángulo de salida. 93
5.3.2 Ángulo de caída. 95
5.3.3 Ángulo de avance y de convergencia. 95
CAPÍTULO VI ANÁLISIS ESTRUCTURAL
6.1 Introducción 102 6.2 Importación de la geometría en un archivo IGES. 103 6.3 Funciones y propiedades aplicables a los componentes 107
6.4 Análisis estructura 116
6.4.1 Mallado 116
6.4.2 Condiciones de frontera y Aplicación de Fuerzas 120
6.4.3 Solución grafica 131
6.4.4 Tablas de resultados obtenidos 137
CONCLUSIONES 148
RECOMENDACIONES 149
BIBLIOGRAFÍA 150
ANEXO “A” 152
x
RESUMEN
Este trabajo se conforma de seis capítulos, los cuales se enfocan a lograr el diseño mecánico de un sistema de dirección para un vehículo tipo Go kart, buscando un manejo más suave y cómodo para el piloto.
En el capítulo I, se habla de la Metodología General del Diseño, ya que es necesario tomarla en cuenta por ser una actividad difícil, compleja y multidisciplinaria que está enfocada a la resolución de problemas.
Uno de los puntos importantes es la selección óptima de los materiales para la construcción del producto, debiendo considerar sus propiedades mecánicas así como su costo, con el fin de garantizar un producto confiable y accesible, económicamente hablando.
En el capítulo II, se mencionan algunos de los programas de computo que sirven de ayuda a ingenieros, arquitectos y a otros profesionales del diseño en sus respectivas actividades.
El capítulo III, Proporciona la teoría general del sistema de la dirección así como la combinación de esta teoría con lo enunciado por Rudolph Ackerman.
En el capítulo IV, Partiendo de un diseño conceptual y utilizando la teoría expuesta en el capitulo anterior, se establece la longitud optima y ángulo adecuado para la mangueta que cumpla con el objetivo de esta tesina. Esto se logra proponiendo en un inicio un Ackerman puro, después aplicando una serie de iteraciones se llega a lo que los autores de este trabajo consideran óptimo.
xi
En el Capítulo V; se verá el modelado de las partes involucradas en el sistema de dirección, asimismo se dará una pequeña explicación referente al uso del programa de cómputo utilizado para este fin. De igual manera, se termina de diseñar y modelar la mangueta, ya que este elemento no solo se compone de una cierta longitud, sino que es necesario calcular otros ángulos como son: el de salida, de caída, de avance y de convergencia para que su funcionamiento sea lo mas adecuado posible.
Capítulo VI y último de este trabajo, aquí se realiza un breve el análisis estructural por el método de elemento finito a la mangueta, que es un componente critico dentro del sistema de dirección, también se lleva a cabo la evaluación y el análisis de los resultados obtenidos.
xii
INTRODUCCIÓN
El seminario de “Modelado, Diseño, Control y Manufactura de Elementos Mecánicos” es impartido en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Profesional Ticomán, dependiente del Instituto Politécnico Nacional, el cual pretende poner en contacto al pasante con las herramientas necesarias para planear y resolver problemas de la ingeniería mecánica en base al análisis, modelado y manufactura de elementos mecánicos, además de fomentar la inquietud del futuro profesionista para realizar estudios de especialización o posgrado en los campos de la ingeniería.
Las nuevas tecnologías basadas en diseño y manufactura asistida por computadora (CAD/CAM) proporcionan numerosas oportunidades para responder inicialmente con la simulación a las necesidades de las personas y evaluarlas.
El diseño es un aspecto del desarrollo de productos, y está muy vinculado a la fabricación, la ciencia y tecnología de los materiales, el mercadeo, el empaquetado y la ergonomía.
En la actualidad, el diseño de un bien u objeto lleva también consigo una certificación de calidad que asegura que tanto el proceso de diseño como el de fabricación del producto responden a unos criterios de calidad integrales.
A los industriales les compensa invertir en un desarrollo cuidadoso del producto antes de lanzarlo a un mercado determinado. Descuidar esta fase previa puede provocar fracasos muy costosos, como la devolución de un producto por defectos de seguridad, o un volumen de ventas muy bajo.
xiii
Carlos Duran (2006), menciona que, los Go kart, son vehículos muy rígidos y cansados en su conducción ya que su sistema de dirección es poco sofisticada, esta observación fue lo que sé tomo como el punto de partida para establecer el objetivo general de este trabajo y haciendo uso de herramientas que en la actualidad son parte importante del proceso del diseño, como la teoría general de diseño, el modelado en tres dimensiones y el análisis del modelo por medio de software especializado (ANSYS), se llego al modelo de dirección que se plasma es esta tesina.
xiv
HISTORIA DE LOS KARTS
Según lo enunciado por Loblesa (2002), en el mes de marzo de 1951, en una base de aviación de los Estados Unidos de Norteamérica surge por primera vez un deporte denominado “karting” como consecuencia del aburrimiento que les producía a los soldados estar fuera de servicio, algunos de ellos tomaron la decisión en un fin de semana de fabricar algo para disfrutar las pistas de aviación que tenían, con material de reaprovechamiento lograron crear unos aparatos muy rudimentarios que podían alcanzar los 50 Km/h., muy pronto el karting se iba consolidando en otras bases de los Estados Unidos y comenzaron las primeras competiciones "salvajes". Los Go kart fueron rápidamente superando aquellos 50 km/h; asimismo se incorporaron muchas mejoras técnicas en poco tiempo.
Go kart, hecho a partir de un tanque de combustible de un avión (P-38) por un soldado de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. (Imagen
bajada de www.vanguardia.com.mx/diario/noticia/masnoticias/deportes/go_karts_pe
quenos_fascinantes/45482)
En los años 60 este deporte se introdujo en Europa a través de Francia e Inglaterra.
xv
Desde aquel 1951 la evolución del karting ha ido en constante aumento, a pesar que la reglamentación no ha cambiado mucho, los chasis han ido ganando en estabilidad y frenada. Aquellos primeros tubos de calefacción soldados han dado paso a los más sofisticados chasis y a los sistemas de frenado más modernos, al día de hoy un Go kart puede alcanzar velocidades superiores a los 150 km., con una seguridad comparable a la de un Formula uno (F-1).
Al principio el karting hizo exprimir el ingenio creativo, pero pronto algunos constructores comenzaron a producir pequeñas series de chasis. Los siempre entusiastas, cuando se trata de deportes mecánicos, los italianos, fueron los primeros en especializarse en la construcción de chasis, a la imagen de la casa TECNO que en los años 60 crearon el famoso modelo Piuma y que fue el prototipo de todos los otros chasis creados desde entonces. Con más de 2000 chasis fabricados en 1965, los hermanos Pederzanni, creadores de TECNO, dirigían también sus pasos hacia el automovilismo en las Fórmulas 2 y 3.
Al principio los motores de podadoras MacCulloch, de 9 CV, , pronto quedaron desbancados por las marcas MONTESA, PARILLA y KOMET. Desde esta época Italia se considera el número uno ya que la gran mayoría de material provenía de este país, a pesar de que los motores Austriacos ROTAX obtenían grandes éxitos durante varios años, no fueron capaces de superar a los italianos.
En 48 años el karting ha obtenido el respeto y el reconocimiento como un deporte completo y una formidable escuela de conducción. Pilotos de la talla de Senna, Sub-Campeón del Mundo de Karting en 1979 y 1980, Prost, Schumacher, Herbert, Frentzen Alesi, Hakkinen, Coulthard, Barrichello y muchos otros colaboraron en sus inicios deportivos a que el deporte del karting sea uno de los más difundidos en todo el mundo y sobre todo la base más importante del deporte automovilístico actual.
xvi
¿Qué es el kartismo?
Carlos Duran (2006), en su página de internet nos habla acerca de este deporte, diciendo que -El Karting es un deporte muy fácil de practicar dadas las características de manejo de un kart. Sólo se utiliza acelerador y freno. En Europa, Estados Unidos y también en algunos países Latinoamericanos, como Brasil y Argentina y México, el Karting se ha convertido en un deporte o pasatiempo muy popular, ya que muchos de los que lo practican lo ven como una manera de hacer deporte emocionante, entretenido y diferente.
Go kart en competencia.
(Imagen bajada de www.debates.coches.net )
Además nos comenta que, según el Reglamento Internacional de Karting un Kart es "un vehículo terrestre con o sin carrocería, con cuatro ruedas no alineadas que están constantemente en contacto con el suelo, de las cuales dos aseguran la dirección y las otras dos la tracción".
También Duran (2006) hace una lista de las características generales de este tipo de vehículos, la más representativa, y que sirve como punto de partida de este trabajo es la falta de suspensión delantera, ocasionando con esto un comportamiento “duro” ya que las irregularidades del terreno impactan directamente en el piloto.
xvii
Otra de ellas es la ausencia de un diferencial, que ocasiona que las dos ruedas traseras giren siempre a la misma velocidad, lo que provoca que en cada curva se produzca un derrape o arrastre de una de las ruedas.
Go kart convencional.
(Imagen bajada de www.debates.coches.net)
xviii
OBJETIVO GENERAL
Diseñar y Modelar un sistema de dirección mecánica que permita hacer más suave la conducción de un vehículo de tipo Go kart, observando la normatividad existente al respecto, asimismo analizar mediante el método de elemento finito la mangueta de dicho sistema, con el fin de conocer su comportamiento en cuanto a resistencia, rigidez, estabilidad y fatiga.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
¾ Conocer la metodología general del diseño.
¾ Conocer los materiales más utilizados en el diseño mecánico, para continuar con la línea de los estándares de fabricación.
¾ Aprender a utilizar las herramientas de ingeniería asistidas por computadora (CAD).
¾ Conocer las aplicaciones y alcance de los programas de análisis por el método de elemento finito.
xix
JUSTIFICACIÓN
Es importante el desarrollo de este trabajo para la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Ticomán, ya que, según Mompala (2006), esta escuela tiene, acreditado el capítulo estudiantil S.A.E. Sección México. Por lo tanto es posible retomar la teoría de esta tesina y ajustarla para ser empleada en los vehículos de mini baja donde se tiene presencia con el prototipo llamado “AZTECA XT”.
El poner en práctica los conocimientos adquiridos en el seminario, es esencial ya que se refuerza la teoría aplicándola a una problemática real.
Al final de todo esto se obtendrá una memoria de cálculo que permitirá la manufactura del producto.
ALCANCE
Determinar la resistencia y rigidez mecánica del componente denominado mangueta en una condición extrema de operación, por ser esta una de las piezas que mayores esfuerzos sufre dentro del sistema de dirección.
xx
METODOLOGÍA
Este trabajo se estructuro de manera que la dirección llevara un desarrollo progresivo, esto es, se empezó estudiando las diferentes fases y las diversas actividades que el diseño de ingeniería comprende, con el fin de apegarse a una metodología que llevara a un mejor producto que satisfaga las restricciones técnicas, comerciales y gubernamentales.
Posteriormente se investigo el estado de arte de los vehículos del tipo Go kart, para conocer los avances el lo que respecta al sistema de dirección de los mismos.
A continuación se averiguo todo lo referente a los parámetros a considerar para obtener una geometría adecuada y funcional, que cumpliera con el objetivo de esta Tesina.
Aplicando los conocimientos adquiridos en este seminario se llevo a cabo la elaboración de dibujos, planos y modelado en 2D y 3D utilizando el programa de computo Solidworks, así mismo fue necesario hacer uso de un programa de enlace (Ansys Workbench) para la exportación de la geometría al software de análisis estructural (Ansys).
En el último capítulo se lleva a cabo la evaluación y análisis de los resultados obtenidos, esta actividad es de gran importancia ya que aquí es donde se decide si es necesaria una reingeniería del producto o si este cumple con las expectativas para lo cual fue diseñado.
xxi
NOMENCLATURA
A Punto de contacto de la rueda con el piso
a Distancia entre pivotes de giro de las ruedas o vía Aa Ángulo de avance
Ac Ángulo de caída As Ángulo de salida
Av Ángulo de convergencia
Ave Ángulo de viraje de la rueda exterior Avi Ángulo de viraje de la rueda interior Ax Ángulo de desviación angular
B Punto de contacto de la prolongación del eje de pivoteo con el suelo b Batalla
b Batalla o distancia entre ejes.
b' Batalla entre el punto de M’ y el pivote de la llanta en caso que el punto de corte no esté a la altura del eje trasero.
C Distancia entre el pivote de la rueda delantera y el costado del vehículo.
d Distancia entre el pivote de la rueda exterior y el punto de corte M’
de la recta NM.
e Distancia entre la esquina del voladizo y el pivote de la rueda delantera.
F Fuerza
f Distancia entre centro de giro y pivote de la rueda exterior delantera.
Fr Esfuerzo de resistencia
In
PulgadaL Ancho total del vehículo
L b Longitud de la barra de acoplamiento.
xxii
mm
Milímetror Longitud de biela
Re Radio exterior de giro a partir de un centro común (considera el voladizo)
Ri Radio interior de giro a partir de un centro común
V voladizo (distancia desde el eje delantero a la parte delantera del vehículo)
α
Angulo máximo, formado entre la posición inicial y la final de la biela de la rueda delantera izquierda.φ
Ángulo formado entre a y la distancia existente desde el centro de giro hasta el vértice exterior del vehículo.Φ
Angulo complementario formado entre las posiciones de la biela izquierda y la línea vertical izquierda a partir del punto de pivote de la rueda.Ángulo formado entre e y v
Angulo formado entre la posición inicial y la final de la biela de la rueda delantera derecha
1
CAPÍTULO I
METODOLOGÍA GENERAL DEL DISEÑO
2
1.1 Introducción
.El resolver un problema o cubrir una necesidad enunciada es lo que da surgimiento al procedimiento del diseño. Esta necesidad proviene de un cliente o quizás de la empresa donde el ingeniero trabaje. Puesto que nos interesa el uso de materiales, la necesidad es, por lo regular, un producto tangible que puede ser totalmente nuevo o bien un diseño modificado de un componente antiguo, en razón de las limitaciones de tamaño o comportamiento. Para alcanzar el objetivo deseado, el procedimiento de diseño pasa característicamente por fases como las que se muestran enseguida:
Fig. 1-1 Fases del diseño.
En cada una de estas fases, las actividades correspondientes incluyen establecer una acción futura, recopilar información, análisis, síntesis, evaluación y perfeccionamiento, pero es fundamental la toma de decisiones y la comunicación.
3
1.2 Etapas del diseño
La primera etapa que se nos presenta es “la aclaración de la necesidad” ya que esta será el punto de partida, el proyectista en este punto, analiza y enuncia el problema con claridad, además, pone por escrito todos los requisitos, restricciones, las normas a que es necesario apegarse, los requerimientos establecidos por la ley y la fecha prevista de terminación del proyecto de diseño.
Posteriormente tenemos la actividad del “diseño conceptual”, que es en donde se tiene que generar las posibles soluciones, planes o métodos para resolver el problema. Se aceptan todas las ideas y se evalúan conforme a sus meritos, los resultados de esta etapa pueden desembocar en muchas innovaciones o mejoras notables. El producto de la etapa del diseño conceptual debe ser los dos o tres planes que tengan la mayor posibilidad de alcanzar el objetivo deseado.
Enseguida llega la etapa de “diseño de formulación”, aquí se evalúan con mayor detalle los dos o tres planes posibles a desarrollar y se hace una selección definitiva del mejor plan para desarrollarse. En esta etapa se dan los bosquejos aproximados y especificaciones del producto que cubran la necesidad (fig.1-2,1-3, 1-4, 1-5 y 1-6).
La fase de “diseño en detalle” considera el gran número de pequeños pero importantes detalles que la elaboración del producto implica. Para evitar fallas, demoras y mayores costos, es necesario que la calidad en esta etapa sea muy buena; el producto de esta actividad son el conjunto de dibujos a detalle, así como las especificaciones definitivas en cuanto a tolerancias, precisión, métodos de unión para elaborar el producto.
Fig. 1
Fig
-2.- Bosquej
g. 1-3.- Bosq
4
jo general de
uejo del siste
el sistema de
ema de susp
e dirección
pensión
5
Fig.1- 4.- Bosquejo general de horquillas y mangueta.
6
Fig. 1-5.- Bosquejo general del tornillo sujetador de la rueda
Fig.1- 6.- bosquejo general del soporte principal de la dirección
7
1.3 Selección de materiales
La ingeniería integral que consiste en considerar simultáneamente todos los factores pertinentes a un producto en la mesa de diseño, permite al proyectista averiguar en los inicios del procedimiento si existe algún problema en cuanto a disponibilidad, procesabilidad y disponibilidad del material a utilizarse.
Por consiguiente, es importante decidir con suficiente anticipación acerca de los materiales que se utilizaran, ya que de no hacer esta consideración, se puede afectar el resultado de los detalles de diseño.
1.4 Factores que intervienen en la selección de materiales
1.4.1 Restricciones relacionadas entre sí.
En primer instancia hablaremos de las “Restricciones relacionadas entre sí”, las cuales las hemos agrupado de la siguiente manera.
Factores físicos
Los factores de este grupo son el peso, la forma y el tamaño del material, todos estos factores guardan relación con el tratamiento del material. El peso de este tiene implicaciones no solo en cuanto a costo iníciales, sino además durante su aplicación.
Factores mecánicos
Estos factores tienen que ver con la capacidad del material para soportar los tipos de esfuerzos que se le imponen. Las propiedades mecánicas del material que se utilizan como criterios de falla en el diseño son las siguientes: el modulo de elasticidad, la tenacidad a la fractura, la resistencia a la fatiga y la termofluencia.
8 Procesamiento y fabricabilidad
Estos factores se relacionan con la capacidad de dar forma al material, se debe de tener en cuenta que, de acuerdo a la pieza a diseñar es necesario considerar el método de fabricación tales como: fundición, conformación, metalurgia de polvos, que métodos de unión serán utilizados, facilidad de maquinado, etc.
Factor de duración de los componentes
Las propiedades pertenecientes a este grupo son: la resistencia a la corrosión, a la oxidación y al desgaste, la termofluencia y las propiedades de fatiga o fatiga por corrosión bajo cargas dinámicas.
Todos estos factores tienen que ver con el tiempo durante el cual los materiales desempeñan las funciones para lo cual fueron destinados, en el ambiente al que están expuestos.
Códigos, factores estatutarios y otros factores
Los códigos son un conjunto de requisitos técnicos que se imponen al material o al componente. Por lo regular, es el cliente el que los impone, o bien se basan los de las organizaciones técnicas como lo son ASME, ASTM, SAE u otras con los cuales es necesario cumplir. Los factores estatutarios están relacionados con los reglamentos locales, estatales y federales referentes a los materiales.
1.4.2 Factores de forma
El rendimiento de un material también es función de la forma de su sección y de la modalidad de carga en la figura 1-7 se muestran las formas de sección optimas que ofrecen el mejor rendimiento con las modalidades de las cargas que se indican.
9
Fig.1- 7.-Formas de sección para el rendimiento óptimo de los materiales sujetos a las modalidades comunes de carga. “(tomada de Pat L., 1992)”
1.4.3 Fallas de materiales y de componentes como fuentes de experiencia de ingeniería
La falla de un componente se debe, en realidad, a la falla del material del cual está hecho el componente, estas fallas se pueden clasificar en una o varias de las enunciadas a continuación:
Deficiencias de diseño
Deficiencia en la selección de materiales Imperfecciones del material
Fallas derivadas del tratamiento y la fabricación Fallas debidas a las condiciones de servicio
10
CAPÍTULO II
PROGRAMAS DE CÓMPUTO ESPECIALIZADOS EN
DISEÑO, MODELADO Y ANÁLISIS
11
2.1 Diseño asistido por computadora
En el diseño asistido por computadora, más conocido como CAD (Computer Aided Design), se utilizan una amplia variedad de herramientas computacionales que sirven de ayuda a ingenieros, arquitectos y a otros profesionales del diseño en sus respectivas actividades. En ocasiones se encuentra una “D” adicional en las siglas, que indican que además de diseño se tiene la aplicación de bosquejo, CADD (Computer Aided Drafting and Design).
Fig. 2-1 Soporte del amortiguador delantero del Go kart, dibujado en CAD.
Este diseño es, además, la herramienta principal para la creación de entidades geométricas enmarcadas dentro de procesos de administración del ciclo de vida de productos (Product Lifecycle Management), y que involucra software y algunas veces hardware especiales.
Los usos de estas herramientas varían desde aplicaciones basadas en vectores y sistemas de dibujo en dos dimensiones (2D) hasta modeladores en tres dimensiones (3D) a través del uso de modeladores de sólidos y superficies paramétricas.
12
Se trata básicamente de una base de datos de entidades geométricas (puntos, líneas, arcos, etc.) con la que se puede operar a través de una interfaz gráfica.
Permite diseñar en dos o tres dimensiones mediante geometría alámbrica; esto es, puntos, líneas, arcos, splines, superficies y sólidos, para obtener un modelo.
Fig. 2-2 Modelado en 3D de la mangueta, mediante el programa de diseño.
La base de datos asocia a cada entidad una serie de propiedades como color, capa, estilo de línea, nombre, definición geométrica, etc., que permiten manejar la información de forma lógica. Además pueden asociarse a las entidades o conjuntos de éstas otro tipo de propiedades como el costo, material, etc., que permiten enlazar el CAD a los sistemas de gestión y producción.
13
De los modelos pueden obtenerse planos con cotas y anotaciones para generar la documentación técnica específica de cada proyecto.
Fig. 2-3 Planos de construcción de la mangueta, hechos a partir del modelado.
En seguida se enlistan los programas de CAD más utilizados:
¾ ARCHICAD
¾ ARRIS
¾ AUTOCAD, AUTODESK INVENTOR, AUTOSKETCH, PROGRAMAS DE COMPAÑÍA AUTODESK.
¾ BUILDERSCAD
¾ CABINET VISION SOLID
¾ CADKEY
¾ CATIA
14
¾ CYCAS
¾ DATACAD
¾ INTELLICAD
¾ MICROSTATION
¾ PRO/ENGINEER
¾ QCAD
¾ RHINOCEROS 3D
¾ SOLID EDGE
¾ SOLIDWORKS
¾ TEKLA STRUCTURES
¾ UNIGRAPHICS, NX4
2.2 Fabricación asistida por computadora
CAM (Computer Aided Manufacturing) así es como se conoce la fabricación asistida por computadora.
Los datos creados con el CAD, se mandan a la máquina para realizar el trabajo, con una intervención del operador mínima.
La base de datos que se desarrolla durante el CAD es almacenada;
posteriormente ésta es procesada por el CAM, para obtener los datos y las instrucciones necesarias para operar y controlar la maquinaria de producción, el equipo de manejo de materiales y las pruebas e inspecciones automatizadas para establecer la calidad del producto. Esta combinación permite la transferencia de información dentro de la etapa de diseño a la etapa de planeación para la manufactura de un producto, sin necesidad de volver a capturar en forma manual los datos sobre la geometría de la pieza.
15
La manufactura asistida por computadora, implica el uso de tecnología de cómputo para ayudar en todas las fases de la manufactura de un producto, incluyendo la planeación del proceso y la producción, maquinado, calendarización, administración y control de calidad. En el sistema CAM, debido a sus ventajas, se suelen combinar el diseño y la manufactura asistidos por computadora en los sistemas CAD/CAM.
Una función de CAD/CAM importante en operaciones de maquinado, es la posibilidad de describir la trayectoria de la herramienta para diversas operaciones, como son el torneado, fresado y taladrado con control numérico, donde el ingeniero o el técnico pueden mostrar y comprobar visualmente si la trayectoria tiene posibles colisiones con prensas, soportes u otros objetos.
En cualquier momento es posible modificar la trayectoria de la herramienta, para tener en cuenta otras formas de piezas que se vayan a maquinar. También, los sistemas CAD/CAM son capaces de codificar y clasificar las piezas en grupos que tengan formas semejantes, mediante codificación alfanumérica.
El surgimiento del CAD/CAM ha tenido un gran impacto en la manufactura al normalizar el desarrollo de los productos y reducir los esfuerzos en el diseño, pruebas y trabajo con prototipos, un ejemplo en el uso de estos programas lo es el avión bimotor Boeing 777 de pasajeros, este fue diseñado en su totalidad en computadora sin ser necesario el uso de papel, la construcción de prototipos ni simulaciones; se requirió de 2000 estaciones de trabajo conectadas a ocho computadoras.
Algunas aplicaciones características del CAD/CAM son las siguientes:
¾ Calendarización para control numérico, control numérico computarizado y robots industriales.
16
¾ Dados para operaciones de trabajo de metales (dados para formado de láminas, y dados progresivos para estampado).
¾ Diseño de dados y moldes para fundición en los que se preprograman tolerancias de contracción.
¾ Diseño de herramientas y electrodos para electroerosión.
2.3 Método de elemento finito
El método de elemento finito, (MEF) es un método numérico muy general para la aproximación de soluciones de ecuaciones diferenciales parciales muy utilizado en diversos problemas de ingeniería y física.
Este método se basa en dividir el cuerpo, estructura o dominio —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».
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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 (fluido- dinámica) 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.
A continuación se mencionan algunos de los programas para el cálculo mediante el método de elemento finito.
¾ ALGOR
¾ ANSYS
¾ ELMER
¾ FREEFEM
¾ OPENFEM
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CAPÍTULO III
TEORÍA DEL SISTEMA DE DIRECCIÓN
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3.1 Introducción
La misión de la dirección es, poder orientar las ruedas delanteras para que el vehículo siga la trayectoria deseada por el conductor. Se clasifican según su forma y por el tipo de elementos utilizados, así como por la colocación de dispositivos especiales para transmitir el esfuerzo (mecánica, hidráulica, electro-hidráulica, electro-mecánica).
Para lograr lo anterior, en este capítulo se mencionan las principales variables a considerar para lograr un máximo rendimiento de este tipo de sistema.
3.2 Teoría del sistema de dirección
El diseñar un nuevo sistema de dirección requiere de un estudio profundo para conocer la cinemática, dinámica y las geometrías necesarias que nos den el mejor desempeño.
Para llevar a cabo este análisis hay que observar la geometría del sistema de suspensión delantera, la altura del vehículo y el radio de giro deseado.
A continuación se citan todas las variables a considera (ángulos de salida, de caída, avance y de convergencia), para obtener las características deseables de un sistema de dirección como son: la reversibilidad controlada y un mecanismo lo suficientemente suave para permitir su accionamiento a baja velocidad.
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3.2.1 Ángulo de salida
Se llama ángulo de salida (As), al ángulo que forman la prolongación del eje del pivote, sobre el que gira la rueda para orientarse respecto al eje longitudinal del vehículo, con la prolongación del eje vertical que pasa por el centro de apoyo de la rueda y cuyo vértice coincide en A´ (fig.3-1).
Esta disposición del pivote sobre el que se mueve la mangueta reduce el esfuerzo a realizar para la orientación de la rueda ya que, depende directamente de la distancia "d", cuanto menor sea "d" menor será el esfuerzo a realizar con el volante para orientar las ruedas.
Este esfuerzo será nulo cuando el eje del pivote pase por el punto "A", centro de la superficie de contacto de la llanta con el suelo. En este caso solo habría que vencer el esfuerzo de resistencia provocado por la fricción (Fr) correspondiente al ancho del neumático, ya que el par de giro sería nulo. En la práctica "d" no puede ser cero ya que, entonces la dirección se volvería inestable.
Fig. 3-1 Ángulo de salida y sus efectos sobre la orientación (Imagen bajada de www.mecanicavirtual.org/direccion-geometria)
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3.2.1.1 Influencia del ángulo de salida sobre la dirección
De la inclinación del eje del pivote resultan fuerzas de retroceso, las cuales, después del paso de una curva, hacen volver a las ruedas a la posición en línea recta en sentido de la marcha.
Esto es debido a que al orientar la rueda para tomar una curva, como gira sobre el eje de pivote y éste está inclinado. La rueda tiende a hundirse en el suelo, y como no puede hacerlo, es la carrocería la que se levanta, oponiéndose a esto su propio peso, por lo cual, en cuanto se suelte el volante de la dirección, el peso de la carrocería, que tiende a bajar, hará volver la rueda a su posición de marcha en línea recta.
Además el ángulo de salida, minimiza el efecto de las irregularidades del terreno.
Fig. 3-2 Ángulo de salida en vehículo con suspensión independiente. (Imagen bajada de www.mecanicavirtual.)
La presión de inflado de los neumáticos tiene una importancia vital en este ángulo, pues con menor presión, el punto A´ (fig. 3-1) se desplaza más hacia abajo, aumentando la distancia d y, por tanto, el esfuerzo para girar las ruedas también aumenta.
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3.2.1.2 Valores comunes del ángulo de salida
Este ángulo suele estar comprendido entre 5 y 10º, siendo en la mayoría de los vehículos de 6 a 7º.
3.2.2. Ángulo de caída.
Si miramos al coche de frente, al ángulo que forma la rueda con la vertical se le llama ángulo de caída. Si las partes superiores de las ruedas están más próximas entre sí que las partes inferiores, habrá una caída negativa fig. 3-3.
Fig. 3-3 Rueda con caída negativa (Imagen bajada de www.rctec.com)
Si las partes superiores están más separadas que las de abajo, la caída será positiva fig.3-4.
Fig. 3-4 Rueda con caída positiva (Imagen bajada de www.rctec.com)
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En el caso de que las ruedas estén totalmente perpendiculares al suelo, formarán un ángulo de 90º y será un ángulo neutro fig. 3-5.
Fig. 3-5 Rueda con ángulo de caída neutro (Imagen bajada de www.rctec.com)
3.2.2.1 Usos del ángulo de caída y su influencia sobe el vehículo
Cuando un coche toma una curva, la fuerza principal que actúa sobre el chasis tiende a empujar al coche hacia fuera de la curva. Esta fuerza está contrarrestada por el agarre de las llantas, especialmente las dos exteriores a la curva. Cuanto más agarre haya, las curvas se podrán tomar a más velocidad.
Con la caída negativa se puede alcanzar más agarre en las curvas, ya que su misión es conservar la banda de rodadura de los neumáticos lo más plana posible en los apoyos, además el coche deslizará más controlablemente puesto que no se clavará el borde exterior de la llanta y no se irá de golpe.
En general una caída negativa proporciona más agarre y estabilidad en curvas al tren al que se aplica, por el contrario en las rectas es menos eficaz y los neumáticos se gastan más por la parte interior. En terrenos irregulares con la caída negativa se consigue una mayor adherencia. La caída positiva no se usa casi nunca.
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En el tren delantero, el ángulo de caída, al igual que el ángulo avance que veremos más adelante, proporciona a la dirección una tendencia a enderezarse, a ponerse en línea recta mediante el "efecto cono". En general, a mayor caída negativa, habrá mayor estabilidad en la dirección a velocidades altas y medias, sobre todo a la entrada de las curvas, es decir si el coche es subvirador se da más caída negativa y si es sobrevirador menos caída negativa.
Si diese caída positiva la dirección sería más sensible, es decir el coche sería más sensible pero más inestable, a altas velocidades habría menos dirección y el coche podría volcar, por lo que se utiliza muy poco. En circuitos con muchos baches se suelen emplear caídas negativas más elevadas para evitar que el coche se clave en los agujeros.
En el tren trasero, como la caída negativa da más agarre, se recomienda para circuitos deslizantes. En los de mucho agarre no se suele dar caída. Si el coche es sobrevirador se da más caída negativa y si es subvirador se da menos caída.
3.2.2.2 valores comunes del ángulo de caída
En el tren delantero, en general se usan entre 0 a 2 grados de caída negativa. Si se dan más grados la dirección dará la sensación de ser más suave, pero en realidad habrá una pérdida de dirección, y además el coche se derrapara. Se recomienda partir de 1º y subir de medio en medio grado para afinar.
En el tren trasero, en circuitos de mucho agarre se darán 0º de caída. En los de poco agarre se dará 1-2º para que el deslizamiento sea progresivo. Se recomienda partir de 1º y subir de medio en medio grado hasta que se acaben los problemas de tracción, cuando el coche se vaya de golpe es que nos hemos pasado, ya que
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demasiada caída negativa puede provocar derrapes repentinos en curvas, por ello en general no hay que pasar de 3º. Los valores más elevados son necesarios en pistas muy rotas, ya que será menos sensible, y también en hierba para prevenir volcaduras. En vehículos 4x2 se suelen emplear valores más elevados de caída negativa trasera que en vehículos 4x4.
3.2.2.3 Regulación del ángulo de caída
En la mayoría de los vehículos de competición es regulable moviendo las varillas de paso inverso que van desde los soporte de los amortiguadores (torretas) a los portamanguetas de las ruedas que determinan la caída. El vehículo se deja caer desde una altura de unos 5 a 10 cm para que la suspensión se comprima y utilizando un “medidor de ángulos de caída”, se verifica este ángulo. Los ángulos de caída deben ser los mismo para cada rueda del mismo tren. Es importante mencionar que si realizamos cambios en este ángulo de caída, habrá que tener en cuenta que puede cambiar la convergencia, por lo que ésta debe ser revisada.
Fig. 3-6 Medidor de ángulo de caída.
(Imagen bajada de www.rctec.com)
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3.2.2.4 Determinación del ángulo de caída
Este ángulo se consigue dando al eje de la mangueta una cierta inclinación con respecto a la horizontal (fig. 3-7). Tiene por objeto desplazar el peso del vehículo que gravita sobre este eje hacia el interior de la mangueta, disminuyendo así el empuje lateral de los cojinetes sobre los que se apoya la rueda.
Fig. 3.7 ángulo de caída y sus efectos sobre la orientación de las ruedas
(Imagen bajada de www.mecanicavirtual.org)
De la figura 3-8, se puede observar que la mangueta está sometida a esfuerzos de flexión equivalentes al peso que sobre ella gravita (P) por su brazo de palanca (d). Con el ángulo de caída lo que se busca es reducir el brazo de palanca o distancia (d), por ello al inclinar la rueda, se desplaza el punto de reacción (A) hacia el pivote, con lo que el brazo de palanca o distancia (d) se reduce y, por tanto, también se reduce el esfuerzo a que están sometidos los rodamientos de la mangueta.
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El valor del ángulo de caída (Ac), que suele estar comprendido entre 0.5° y 1°, hace disminuir el ángulo de salida (As), aunque se mantiene dentro de unos límites suficientes.
Fig. 3-8 Rueda izquierda sin ángulo de caída (Ac), mayor palanca (d) Rueda derecha con ángulo de caída (Ac), menor palanca (d)
(Imagen bajada de www.mecanicavirtual.org/direccion-geometria)
Fig. 3-9 Ángulo de caída en vehículo con suspensión independiente.
(Imagen bajada de www.mecanicavirtual.org/direccion-geometria)
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3.2.3 Ángulo de avance del pivote de dirección
Se llama ángulo de avance (Aa), al ángulo que forma la prolongación del eje del pivote con el eje vertical que pasa por el centro de la rueda y en el sentido de avance de la misma.
El pivote de dirección es el eje alrededor del cual giran las manguetas (cuando estas tienen movimiento) de las ruedas directrices. Si miramos lateralmente el coche, el ángulo de avance del pivote de dirección es el formado por dicho pivote con la vertical al suelo fig. 3-10.
Fig. 3-10 Ángulo de avance neutro
(Imagen bajada de www.rctec.com/handling/caster_angle_advanced
Como ejemplo podemos poner las horquillas de las bicicletas o motos, que están claramente inclinadas hacia atrás.
El ángulo de avance hace que las ruedas delanteras tiendan a enderezarse y por ello dará más estabilidad a la dirección, la misma misión que tienen las horquillas inclinadas de bicicletas y motos.
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¾ La estabilidad en línea recta y
¾ El comportamiento en las curvas.
Respecto a la conducción en línea recta, a mayor ángulo avance, más estabilidad.
Su principal objetivo es estabilizar el coche, ya que a un mayor ángulo, las ruedas tienen más tendencia a enderezarse y a auto-alinearse, esto le da estabilidad en línea recta y una mayor facilidad de conducción. Por ello son mejores ángulos elevados en las pistas rápidas, irregulares o de poco agarre.
Si el avance es pequeño la dirección se hace inestable y si es excesivo puede estar dando un tirón constante y la dirección tiende a enderezarse con demasiada fuerza, por lo que la dirección se hará pesada.
Respecto a las curvas, un ángulo de avance mayor hace que entre peor a las curvas lentas, por ejemplo una curva cerrada a final de recta, pero habrá más dirección y será más suave dentro de la curva y saldrá mejor de esta. Por el contrario en las curvas de alta velocidad proporciona más dirección a la entrada y permite pasar más deprisa por dichas curvas. Cuando el ángulo disminuye hay más dirección a la entrada de las curvas de baja velocidad y menos dentro, en las de alta velocidad hay menos giro al iniciar la curva.
3.2.3.2 Efectos del ángulo de avance
Cuando el empuje del vehículo se realiza desde las ruedas traseras (propulsión), el eje delantero es arrastrado desde atrás, lo que supone una inestabilidad en la dirección. Analizando los efectos del ángulo de avance de la fig.3-13 vemos que esto se corrige dando al pivote un cierto ángulo de avance (Aa), de forma que su eje corte a la línea de desplazamiento un poco por delante del punto (A) de apoyo de la rueda.
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Con ello aparece una acción de remolque en la propia rueda que da fijeza a la dirección, haciendo que el punto (A) de apoyo tienda a estar siempre en línea recta y por detrás del punto (B), de impulsión.
Al girar la dirección para tomar una curva la rueda se orienta sobre el punto (B) fijado para el avance, esto hace que el punto (A) se desplace hasta (A´), creándose un par de fuerzas que tiende a regresar a la rueda a su posición de línea recta ya que, en esta posición, al ser (d = 0), desaparece el par.
Fig. 3-13 Efectos del ángulo de avance sobre las ruedas de la dirección.
(Imagen bajada de www.mecanicavirtual.org/direccion-geometria)
De esta forma se consigue dar a la dirección fijeza y estabilidad, ya que las desviaciones que pueda tomar la rueda por las desigualdades del terreno, forman este par de fuerzas que la hacen volver a su posición de línea recta.
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3.2.3.3 Determinación del ángulo de avance
Bastantes karts tienen un avance fijo sin posibilidades de reglaje y existe una opinión de que la variación del reglaje ocasiona más problemas que los que resuelve. El fabricante tiene diseñado el avance idóneo y un kart, se argumenta, no es especialmente sensible a la variación. Algunos opinan que el ajuste del ángulo de avance, que equipan los modernos chasis, se pone sólo por motivos de mercadeo.
Los chasis más sofisticados tienen la posibilidad de variación continua del avance mientras otros tienen tres o cuatro posiciones, todas con avance positivo. Cuanta menor inclinación tenga el pivote, menor será el avance y más rápida la respuesta al volante, aunque la estabilidad a alta velocidad se verá resentida.
3.2.3.4 valores comunes del ángulo de avance
Los valores que se utilizan dependen del vehículo y de las preferencias del piloto.
Los tipo 4x4 llevan ángulos menores que los 4x2, ya que en los primeros la propia tracción de las ruedas delanteras hace que estas tiendan a enderezarse. Por ello en los que son 4x2 se usan ángulos elevados (20° a 30º) y más bajos en los 4x4 (10° a 15º).
En general, en los 4x2 utilizar más de 30° hace que el coche sea subvirador, que este "empuje" dentro de la curva, ya que las ruedas tienen demasiada tendencia a enderezarse, valores muy bajos harían que el coche gire demasiado y haga lo que comúnmente se conoce como “trompos”, asimismo sea menos estable en línea recta.
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El avance debe ser tal, que cumpla la misión encomendada sin perturbar otras condiciones direccionales. Si este ángulo es grande, el par creado también lo es, haciendo que las ruedas se orienten violentamente. Si el ángulo es pequeño o insuficiente, el par de orientación también lo es, resultando una dirección inestable.
El ángulo de avance suele estar comprendido entre 0° y +4º para vehículos con tracción delantera, y de +6° a +12º para vehículos con tracción trasera.
3.2.4. Efectos de los ángulos de salida, caída y avance en la convergencia
Los ángulos de salida (As) y caída (Ac) hacen que el ángulo avance (Aa) corte a la línea de desplazamiento por delante y hacia la derecha de punto (A) (fig. 3-14). De ello resulta que, para vehículos de tracción trasera, el empuje que se transmite al eje o tren delantero pasa de éste a la rueda por el pivote, teniendo su punto de apoyo en la rueda sobre el punto (B).
Como la fuerza de fricción actúa sobre su punto de apoyo (B), provoca un par a la rueda, para corregir este efecto se necesario contar con un ángulo de convergencia.
La convergencia será tanto mayor cuanto más adelantado y hacia la derecha se encuentre el punto (B). Esta posición viene determinada por los ángulos de caída, salida y avance, lo que quiere decir que la convergencia depende directamente de estos tres ángulos.
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Fig. 3-14 Diferentes ángulos y efectos sobre la convergencia de ruedas (Imagen bajada de www.mecanicavirtual.org/direccion-geometria)
En vehículos con tracción delantera, la fuerza de empuje está aplicada al mismo punto de apoyo de la rueda, siendo las ruedas traseras remolcadas sin ejercer efecto alguno sobre la dirección. No obstante, se les da un pequeño avance para mantener estable la dirección resultando, junto a las cotas de salida y caída, una convergencia que pueda ser positiva o negativa.
3.2.5. Convergencia y divergencia
Cuando se habla de la alineación de las ruedas, nos referimos a las dos ruedas de un mismo eje o tren, la convergencia, divergencia o paralelismo de las ruedas delanteras se define como la posición que ocupan las dos ruedas con respecto al eje longitudinal del vehículo.
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Cuando están paralelas entre sí tienen un valor neutro, es decir 0°. (fig. 3-15).
Fig. 3-15 Convergencia neutra
(Imagen bajada de www.rctek.com/handling/toe)
Se dice que las ruedas de un mismo eje o tren tienen convergencia cuando mirando el coche desde arriba, las ruedas tienden a cerrarse (converger) en un punto imaginario que hubiera delante de ellas o dicho de otro modo: hay convergencia cuando las ruedas están más cerca entre sí por la parte delantera que por la trasera (fig. 3-16).
Fig. 3.16 Vehículo con convergencia.
(Imagen bajada de www.rctek.com/handling/toe)
Divergencia es lo opuesto, las ruedas tienden a abrirse (diverger), por lo que estarán más separadas por la parte delantera que por la trasera. La convergencia o divergencia se pueden medir en milímetros, o lo que es más habitual en grados, que corresponden a los del ángulo formado por las ruedas con el eje de marcha del coche (fig. 3-17).
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Fig. 3.17 Vehículo con divergencia.
(Imagen bajada de www.rctek.com/handling/toe)
3.2.5.1 Función de la convergencia y la divergencia
La convergencia sirve para contrarresta el par de orientación que se forma entre el empuje y el rozamiento de la rueda y que tiende a abrirla, siendo esta la razón de que los coches con tracción trasera tengan mayor convergencia que los de tracción delantera, en efecto: debido a los ángulos de avance y salida, la prolongación del pivote corta al suelo en un punto más adelante y hacia el centro que el de apoyo de la rueda.
Si el coche lleva tracción trasera, la fuerza de empuje se transmite a la rueda delantera a través del pivote y la de resistencia se aplica en el punto de contacto de la rueda, esto origina un par de giro que tiende a abrir las ruedas delanteras, cosa que no ocurre en vehículos con tracción delantera ya que la fuerza se aplica en el punto de contacto.
Una convergencia excesiva, produce mayor tendencia en la orientación de las ruedas para seguir la trayectoria en línea recta, pero a su vez provoca un desgaste irregular en los neumáticos que se manifiesta por el deterioro lateral que se origina en su banda de rodadura (fig. 3-18).
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Fig. 3-18 Convergencia de las ruedas en un vehículo con suspensión independiente
(Imagen bajada de www.mecanicavirtual.org/direccion-geometria)
3.2.5.2 Cuando utilizar convergencia o divergencia
En los vehículos con tracción trasera, la resistencia a la rodadura de las ruedas delanteras crea un par que tiende a abrir ambas ruedas, para compensar este efecto, se contrarresta con un ángulo de convergencia positivo.
Cuando las ruedas tienen más convergencia, la estabilidad, especialmente en línea recta, aumenta, pero a la vez hay más resistencia a la rodadura y por ello disminuye la velocidad pero además hace que pierda adherencia en el tren delantero, girando algo menos al ser la dirección menos agresiva, lo que va bien en circuitos deslizantes.
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La convergencia es como "hacer la cuña" en el esquí, frena pero a la vez da más estabilidad (fig 3-19).
Fig. 3-19 Vehículo con convergencia; mayor estabilidad.
(Imagen bajada de www.rctek.com/handling/toe)
En el caso de vehículos con tracción delantera, el problemas es distinto, el esfuerzo de tracción de las ruedas produce un par que actúa en sentido contrario que en el caso anterior, es decir tendiendo a cerrar las ruedas en vez de abrirlas, por consiguiente para compensar esta tendencia será necesario dar a las ruedas un ángulo de convergencia negativo (divergencia).
Si disminuimos la convergencia o bien se pone divergencia delantera se incrementará la velocidad máxima, pero se reducirá la estabilidad en línea recta.
El coche entrará mejor en las curvas, es decir el giro será más agresivo y ayudará a tomar las curvas cerradas, pero dentro de la curva será algo subvirador, a la vez el coche será menos estable en recta y por ello algo más difícil de conducir (fig. 3- 20).
Fig. 3-20 Vehículo con divergencia; menor estabilidad.
(Imagen bajada de www.rctek.com/handling/toe)
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La divergencia delantera es útil sobre todo en vehículos 4x4 y en circuitos con curvas cerradas.
La mayoría de los coches llevan detrás algo de convergencia, ya que contribuye a estabilizar el tren trasero pero especialmente a la salida de las curvas, por ello acelerará con una mayor tracción trasera. A la vez la convergencia trasera hará que el coche tenga menos dirección, es decir "empujará" en las curvas, y será algo más subvirador. Por todo ello se recomienda para circuitos con poco agarre.
En el caso de las pistas con mucho agarre se suele poner menos convergencia, de esta forma hay menos agarre atrás y gira mejor, y aunque también se pierde tracción esto no es grave en dichos circuitos. La divergencia en el tren trasero no se emplea.
3.2.5.3. Determinación del ángulo de convergencia
Debido a que la convergencia, está determinada en función del resto de los ángulos o cotas de la dirección, la alteración de esta produce la inestabilidad en la dirección; además debe ser igual en las dos ruedas, el que el valor de la convergencia pueda ser positivo o negativo (divergencia) depende de los valores que tengan los ángulos de caída, salida y, además, de que el vehículo sea de tracción delantera o trasera. El valor de esta convergencia viene determinado por los valores de las cotas de caída, salida y avance.
El ángulo de caída (Ac) y el de salida (As) hace que la rueda esté inclinada respecto al terreno y que al rodar lo haga sobre la generatriz de un "cono". (fig. 3- 21), lo que implica que las ruedas tienden a abrirse. Para corregir esto se cierran las ruedas por su parte delantera, con lo que adelanta el vértice del cono en el sentido de la marcha.
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Fig. 3-21 Cono que se forma por la inclinación del eje de la mangueta.
(Imagen bajada de www.mecanicavirtual.org/direccion-geometria)
El ángulo de convergencia (Av) o desviación angular de las ruedas con respecto a la dirección de marcha (fig. 3-22), se expresa en función de las distancias (A) y (B) y de la cota (h), o bien, del diámetro de la llanta (d). La fórmula para calcular este ángulo es:
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Fig. 3.22 Geometría para determinar la convergencia de las ruedas (Imagen bajada de www.mecanicavirtual.org/direccion-geometria)
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3.2.5.4 Qué valores de convergencia utilizar
Cuando este valor se mide en milímetros será la diferencia de distancia existente entre las partes delanteras y traseras de las llantas a la altura de la mangueta; los valores para la convergencia están entre:
1 a 10 mm para vehículos con tracción trasera y
0 a menos 2 mm para vehículos con tracción delantera.
Sin embargo se debe tener presente que el verdadero valor real lo determina el punto (B) mostrado en la figura 3-14, también se debe tener en cuenta que este punto está influenciado por los ángulos de salida, caída y avance.
En el eje o tren delantero, como punto de partida, en la mayoría de los coches y condiciones se parte de 0º, si es necesario modificarlo, se ponen 1° ó 2º de convergencia o divergencia, pero no hay que pasar de 3º.
En los vehículos 4x2 hay tendencia a poner un poco más de convergencia que en los vehículos 4x4, pero se trata de valores muy bajos o nulos. En algunos vehículos 4x4 se pone un poco de divergencia para ganar algo de agarre a la entrada a la curva, pero a costa de que sea menos estable dentro y a la salida de la misma.
En el eje o tren trasero, se suelen usar de 2° a 4º, siendo 3° lo más habitual. Si sobrevira se pone más convergencia para aumentar el agarre trasero, si subvira y el circuito tiene buen agarre se disminuye la convergencia, porque puede valer la pena sacrificar un poco de agarre atrás para conseguir un poco más de dirección.
En el caso de pista muy irregular se da más convergencia trasera, pudiéndose llegar hasta los 5º.
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3.2.5.5 Como regular la convergencia o la divergencia
Una excesiva convergencia respecto a los estándares antes expuestos, provoca un desgaste lateral en la zona exterior de las llantas. Una convergencia insuficiente provoca un desgaste lateral en el interior de la misma, la convergencia se regula mediante un manguito roscado (fig.3-23).
Fig. 3-23 Sistema de reglaje de la dirección.
(Imagen bajada de www.mecanicavirtual.org/direccion-geometria)
3.2.6 Efecto Ackerman o ángulo de viraje
En una curva cada una de las ruedas delanteras describe una circunferencia de distinto radio. Como el radio que describe en la curva la rueda interior es menor que el de la exterior, si girasen con el mismo ángulo las dos ruedas, alguna de ellas sería arrastrada en las curvas.
Para evitar esto, Rudolph Ackerman, a principios del siglo XIX, estudiando los sistemas de dirección en los carruajes, estableció que era necesario que la prolongación de los brazos de dirección se corten a la altura del eje trasero, de esta forma la rueda interior en la curva girará más que la exterior y no será arrastrada (fig. 3-24).
