Diseño y construcción de la suspensión delantera y dirección de un vehículo de dos ruedas

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(1)Diseño y construcción de la suspensión delantera y dirección de un vehículo de dos ruedas. Autor: Alejandro Cepeda B. Código: 199921817. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. ENERO DE 2005.

(2) Diseño y construcción de la suspensión delantera y dirección de un vehículo de dos ruedas. Autor: Alejandro Cepeda B. Código: 199921817. Profesor asesor: Juan Pablo Casas M. Sc.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. ENERO DE 2005.

(3) IM-2004-II-11. 1.

(4) AGRADECIMIENTOS. A mis padres, por todo su amor, apoyo y confianza.. A Maria Paula, por ser quien eres en mi vida. A Juan Pablo Casas, por su colaboración e invaluables aportes para el desarrollo de este proyecto de grado.. A los trabajadores del taller del departamento de ingeniería mecánica, por su colaboración y excelente trabajo..

(5) IM-2004-II-11. Bogotá DC, 11 de enero de 2005. Doctor: ALVARO PINILLA Director Dpto. Ing. Mecánica Universidad de Los Andes Ciudad. Apreciado Doctor: Por medio de la presente me dirijo a usted para someter a su aprobación el proyecto de grado titulado “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA SUSPENSIÓN DELANTERA Y DIRECCIÓN DE UN VEHÍCULO DE DOS RUEDAS”, como requisito para optar al titulo de Ingeniero Mecánico en la Universidad de los Andes. Este trabajo es de mi total autoría y fue realizado durante el segundo semestre del año 2004.. _______________________________ Alejandro Cepeda B. CC 80’178,708 de Bogotá.

(6) IM-2004-II-11. Bogotá DC, 11 de enero de 2005. Doctor: ALVARO PINILLA Director Dpto. Ing. Mecánica Universidad de Los Andes Ciudad. Apreciado Doctor:. Deseo poner en consideración el siguiente proyecto de grado titulado “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA SUSPENSIÓN DELANTERA Y DIRECCIÓN DE UN VEHÍCULO DE DOS RUEDAS”, realizado por el estudiante Alejandro Cepeda B. durante el segundo semestre del 2004, por considerar que cumple con los requisitos necesarios para optar al titulo de Ingeniero Mecánico de la Universidad de los Andes.. _____________________________ Juan Pablo Casas M. Sc. CC: 79’752.119 de Bogotá.

(7) IM-2004-II-11. 1 CONTENIDO. Pág. Fotos y diagramas. 4. Tablas. 6. Símbolos. 7. Introducción. 9. 1. Marco Teórico 1.1.. 1.2.. 1.3.. 10. Historia. 10. 1.1.1. Suspensión delantera. 10. 1.1.2. Suspensión trasera. 12. 1.1.3. Resortes. 13. Conceptos Básicos. 14. 1.2.1. Maniobrabilidad. 14. 1.2.2. Adherencia. 14. 1.2.3. Estabilidad. 15. 1.2.4. Movimientos angulares y lineales. 16. 1.2.5. Funciones. 17. 1.2.6. Consideraciones geométricas. 18. Suspensión. 21. 1.3.1. Principios Básicos. 21. 1.3.1.1.. Componentes. 21.

(8) IM-2004-II-11. 2 1.3.1.2.. Conceptos de diseño. 1.3.2. Suspensión delantera 1.3.2.1.. Geometrías. 2. Diseño de la suspensión. 22 23 23 25. 2.1.. Parámetros iniciales. 25. 2.2.. Diseño preliminar. 27. 2.3.. Refinamiento del diseño. 31. 2.3.1. Parámetros de entrada. 31. 2.3.2. Comprobaciones y análisis de esfuerzos. 32. 2.3.2.1.. Caso estático. 34. 2.3.2.2.. Frenado. 34. 2.3.2.3.. Curva. 37. 2.3.3. Conjunto llanta-rin. 40. 2.3.4. Análisis frecuencial. 41. 2.3.5. Diseño en 3D. 45. 3. Diseño de la dirección. 47. 3.1.. Parámetros iniciales y conceptos básicos. 47. 3.2.. Proceso de diseño. 47. 4. Construcción. 50. 4.1.. Manufactura de las partes. 50. 4.2.. Ensamblaje. 50. 5. Resultados 5.1.. Desarrollo a seguir. 52 56.

(9) IM-2004-II-11. 3. 5.2.. Aportes y posibles mejoras. 56. 5.3.. Conclusiones. 59. Bibliografía y referencias. 60. ANEXO. 62.

(10) IM-2004-II-11. 4. Fotos y diagramas. Pág. Figura 1.1 Geometrías comunes de sistemas de suspensión: Viga, Telescópicos, Leading Link y Trailing Link. 10. Figura 1.2 Ejes de movimientos angulares. 16. Figura 1.3 Parámetros geométricos. 18. Figura 1.4 Diferencia de distancia entre ejes. 20. Figura 2.1 Propuesta Inicial. 26. Figura 2.2 Primer diseño, inclinación de 11º. 27. Figura 2.3 Segundo diseño, inclinación de 20º. 28. Figura 2.4 Configuraciones para el leading link. 29. Figura 2.5 Tercer diseño, inclinación de 20º. 30. Figura 2.6 Nombres de las partes del conjunto. 32. Figura 2.7 Caso estático. 34. Figura 2.8 Promedio de desaceleración en G´s. 35. Figura 2.9 Frenado. 36. Figura 2.10 Curva. 37. Figura 2.11 Velocidades contra trasmisibilidad para diferentes distancias entre baches. 42-43. Figura 2.12 Puntos de resonancia de la suspensión delantera. 44. Figura 2.13 Diseño final en 2D. 45. Figura 2.14 Diseño final en 3D, acoplado al resto del conjunto. 46.

(11) IM-2004-II-11. 5. Figura 3.1 Fotomontaje del chasis sobre la imagen de una Harley-Davidson. 48. Heritage Figura 3.2 Diseño final, con manubrio y silla. 49. Figura 5.1 Geometría final del conjunto. 52. Figura 5.2 Foto Ensamblaje. 53. Figura 5.3 Foto Ensamblaje. 53. Figura 5.4 Foto Ensamblaje. 53. Figura 5.5 Foto Ensamblaje. 54. Figura 5.6 Foto Ensamblaje. 54.

(12) IM-2004-II-11. 6 Tablas. Tabla.2.1 Propiedades físicas del acero estructural. 32. Tabla.5.1 Costos. 55.

(13) IM-2004-II-11. 7 SÍMBOLOS. CoG. Centro de gravedad. E. Módulo de elasticidad. G. Módulo de rigidez. σf. Esfuerzo de fluencia. σu. Esfuerzo ultimo. υ. Módulo de Poisson. α. Coeficiente de dilatación lineal. ρ. Densidad. K. Módulo de elasticidad. N sd. Fuerza normal delantera (caso estático). N st. Fuerza normal trasera (caso estático). m. Masa. g. Aceleración de la gravedad. a. Distancia del CoG al eje trasero. d. Distancia entre ejes. Fd. Fuerza de frenado (llanta delantera). Ft. Fuerza de frenado (llanta trasera). F. Fuerza total de frenado. µ. Coeficiente de fricción. E. Módulo de elasticidad.

(14) IM-2004-II-11. 8. V. Velocidad. a. Aceleración. D. Diámetro externo. d. Diámetro interno. l. longitud.

(15) IM-2004-II-11. 9 INTRODUCCIÓN. Dentro de una concepción global para desarrollar un vehículo de transporte lo más económico posible se dio inicio el primer semestre del 2004 a un macroproyecto que consiste en el diseño y construcción de un vehículo de dos ruedas, descartando desde un comienzo la ejecución de un vehículo de cuatro ruedas por considerar que este último demanda costos mayores.. Con base en los desarrollos realizados por los alumnos durante el primer semestre del 2004, diseño y construcción del chasis y el repotenciamiento del motor, este proyecto de grado tiene como alcance el diseño y la construcción del conjunto compuesto de la suspensión, los frenos y la dirección delantera del vehículo seleccionado. Con base en un análisis detallado de las diferentes alternativas posibles y manteniendo como variable principal la reducción de costos se pretende obtener el mejor concepto global posible y que se ajuste también a los trabajos ejecutados por todos los alumnos involucrados en el macro-proyecto.. Igualmente se decidió utilizar partes recicladas, sin importar si proceden de motocicletas o de otro tipo de vehículos; este aspecto es restrictivo, pero resulta en el aprovechamiento máximo de las capacidades de diseño y de adaptación de los recursos disponibles..

(16) IM-2004-II-11. 10 1. MARCO TEÓRICO. 1.1. Historia. 1.1.1. Suspensión delantera. La primera parte de las motocicletas en que se implementó una suspensión resortada fue la parte delantera, debido a la presencia de la dirección. 1. Figura 1.1 Geometrías comunes de sistemas de suspensión: Viga, Telescópicos, Leading Link y Trailing Link2. La primera suspensión en ser comúnmente aceptada fue la de tipo viga (ver figura 1.1). Su principal desventaja era la poca rigidez lateral, así como su sistema de amortiguamiento por fricción. Tras un largo tiempo de predominio, este tipo de suspensión finalmente cedió su puesto a la de tipo telescópico (ver. 1 2. T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design Dibujo tomado de T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design.

(17) IM-2004-II-11. 11. figura 1.1), que usa amortiguadores hidráulicos y que sigue siendo hasta hoy en día el modelo más popular.3 Los primeros en demostrar las virtudes de los telescópicos fueron los ingenieros de BMW en 1935 en las pistas de los grandes premios de motociclismo, siendo claras las múltiples ventajas que tenia frente a la de viga, tanto en desempeño como en facilidad de mantenimiento. Sin embargo, el éxito que tuvo la suspensión telescópica se debió más a su facilidad y bajo costo de producción que a sus propiedades dinámicas; este sistema continuaba teniendo una baja rigidez torsional y lateral, especialmente para aplicaciones en vehículos de carreras.4 Esto hizo que muchas compañías que competían y que no se preocupaban tanto por la apariencia y los costos, utilizaran mas comúnmente la suspensión de tipo leading link (ver figura 1.1), que ofrecía mayor rigidez, menor peso no resortado y mejor amortiguamiento que la de tipo telescópico. Tenia además la posibilidad de elegir entre un trail 5 constante o. una distancia entre ejes constante,. dependiendo del ángulo de inclinación de las articulaciones. Esta configuración fue la estándar por muchos años entre las marcas que lideraban las competencias a nivel mundial. Sin embargo entre los. usuarios comunes, la. apariencia del leading link no tuvo muchos adeptos, manteniéndose entonces los telescópicos como norma general.6. 3. T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design 5 Ver sección 1.2.6 6 T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design 4.

(18) IM-2004-II-11. 12. El desarrollo de los telescópicos continuó durante décadas, manteniéndose su concepción básica como la norma general y mejorando de forma considerable sus deficiencias. Sin embargo también se ha trabajado paralelamente en el desarrollo de otros tipos diferentes de suspensión, obteniendo diseños totalmente radicales como es el caso del telelever de BMW, el GTS de Yamaha, el ELF y el TESI de Bimota.7. 1.1.2. Suspensión trasera. La suspensión trasera apareció mucho tiempo después de la delantera, debido principalmente a la preferencia de los marcos rígidos en el mundo de las competiciones deportivas. El primer tipo en ganar aceptación fue el de resortes de émbolo, debido en gran parte a los éxitos obtenidos en competencias por parte de Norton y BMW y a que era el más fácil de adaptar a los marcos ya existentes en producción en ese momento, aunque resultara bastante complicada la adopción y las limitaciones eran claras desde el principio, en especial en lo referente a la geometría, la rigidez y las complicaciones naturales con el sistema de transmisión. 8 Con muy pocas excepciones los constructores descubrieron que sus marcos eran totalmente inadecuados para la adopción de tenedores pivotados o de brazos articulados, que eran mucho mejores que los resortes de émbolo. 7. Motorcycle front suspension systems: Traditional problems and alternative solutions http://splashmedia.co.nz/users/britten/art3.html 8 T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design.

(19) IM-2004-II-11. 13. Comenzó entonces un proceso de refinamiento en los diseños tanto de los chasises como de la suspensión trasera en sí, buscando obtener un tipo verdaderamente útil y práctico y que ofreciera ventajas reales frente a los marcos rígidos. Por estos desarrollos aparecieron los brazos articulados triangulados de Moto Guzzi y Velocette a mediados de los años treinta, obteniendo impresionantes victorias en las competencias.9 El desarrollo de nuevos diseños continuó ininterrumpidamente hasta el día de hoy, quedando como grandes mejoras el uso de un solo acople y en algunos casos de un solo amortiguador, sin comprometer de ninguna forma la rigidez lateral, que ha sido siempre el problema principal de los conjuntos de suspensión traseros.10. 1.1.3. Resortes. En general, el tipo más común de resorte utilizado en la industria de motocicletas es el helicoidal de acero; diferentes tipos de resortes se han utilizado en los diferentes desarrollos tales como los de caucho o neumáticos, pero con resultados que no han sido buenos, debido a la deformación del caucho y a la complejidad de los resortes neumáticos. Los resortes de ballesta también han sido estudiados, pero tampoco han tenido una buena acogida principalmente por las restricciones geométricas en las motocicletas.11. 9. T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design 11 T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design 10.

(20) IM-2004-II-11. 14. 1.2. Conceptos básicos. 1.2.1. Maniobrabilidad. Capacidad de la moto para responder de forma predecible y segura ante los movimientos del piloto. Se puede alterar mediante la geometría general, la rigidez estructural, el peso y su distribución y las ruedas y el tamaño de estas. La maniobrabilidad se ve influenciada en gran medida por el piloto y su capacidad de conducción12.. 1.2.2. Adherencia. Habilidad de la máquina para mantener el contacto con el suelo a través de sus llantas. Es proporcional principalmente al tipo y tamaño de la llanta, siendo el valor del coeficiente de rozamiento fundamental en el diseño de la capacidad de adherencia de una motocicleta. También influyen las características de la suspensión, el peso y su distribución y la rigidez del chasis (para mantener la alineación entre las ruedas). En un principio, la adherencia y la maniobrabilidad eran directamente proporcionales, pero ahora, debido al aumento en el ancho de las llantas, esto ya no es tan cierto y en muchas ocasiones es incluso inversamente proporcional, debido a que unas llantas mas anchas y de compuesto mas blando aumentaran. 12. T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design.

(21) IM-2004-II-11. 15. la adherencia, pero requerirán aplicar mayor fuerza en los manubrios para lograr moverlas.13. 1.2.3. Estabilidad. Existen muchos tipos de estabilidad. Los dos que nos competen, se definen en términos generales como:. -. La habilidad para mantener la maniobra pretendida sin una clara tendencia a desviarse de la trayectoria escogida.. -. La habilidad de volver a la maniobra pretendida tras la acción de una fuerza externa perturbadora.. Los tres conceptos anteriores (maniobrabilidad, adherencia y estabilidad) se ven afectados por muchos parámetros externos y por la interacción entre ellos mismos. Por lo tanto se debe buscar siempre un equilibrio entre ellos dependiendo del uso que se requiera para la motocicleta.. 13. T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design.

(22) IM-2004-II-11. 16. 1.2.4. Movimientos angulares y lineales. Los movimientos lineales se clasifican como verticales y horizontales, los primeros debido a las ondulaciones del terreno, los segundos originados por la acción del motor y de los frenos. Los movimientos angulares, que son más difíciles de visualizar, son tres y se definen como pitch, yaw y roll.. Fig.1.2 Ejes de movimientos angulares14. Pitch es el movimiento de cabeceo de la moto alrededor del eje transversal al transferirse peso hacia delante o hacia atrás por la acción de frenar o acelerar respectivamente, así como al pasar por baches o huecos.. 14. Dibujo tomado de T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design.

(23) IM-2004-II-11. 17. Yaw es el movimiento provocado con respecto al eje vertical al girar la moto en una esquina o al ser golpeada por una corriente de aire. Roll es el movimiento ocasionado con respecto al eje longitudinal y se produce al inclinar la moto para tomar una curva. Los ejes de estos tres movimientos forman ángulos rectos entre ellos y normalmente se referencian, al igual que los de los movimientos lineales, respecto al centro de gravedad del vehículo y a las coordenadas de la tierra.. 1.2.5. Funciones. Una motocicleta y sus componentes tienen funciones de dos tipos: estáticas y dinámicas. En el caso estático, deben soportar su propio peso y el de los ocupantes de la moto con su carga. Las funciones dinámicas consisten en proveer una dirección precisa, buena adherencia, maniobrabilidad, confort y seguridad. Sin embargo, algunos de estos conceptos son mutuamente excluyentes, por lo que se debe siempre buscar un equilibrio entre todos, teniendo en cuenta el propósito de la moto. La precisión de la dirección depende principalmente de la capacidad de mantener en un mismo plano el eje de la dirección y la rueda trasera, evitando la flexión excesiva del marco de la moto..

(24) IM-2004-II-11. 18. Sin embargo una buena dirección no sirve de nada si las ruedas no se mantienen en contacto con el suelo, de ahí la importancia de una buena suspensión, especialmente en la parte delantera. La suspensión también provee gran parte del confort, que se puede definir como la capacidad de aislar a los ocupantes de la moto de los golpes e irregularidades del terreno.. 1.2.6. Consideraciones geométricas. La geometría básica de una moto se basa principalmente en los siguientes parámetros:. Fig.1.3 Parámetros geométricos15. 15. Dibujo tomado de T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design.

(25) IM-2004-II-11. -. 19. Angulo de inclinación: es el ángulo formado entre el eje de dirección y el eje vertical.. -. Trail: es la distancia entre el punto de contacto de la rueda con el piso y el punto imaginario en el cual el eje de dirección se encuentra con el suelo. Cada rueda tiene su propio valor de trail, el cual siempre se diseña para que se positivo. Esto quiere decir que las ruedas siempre entran en contacto con el suelo por detrás del punto imaginario en que lo hace el eje de la dirección, lo que a su vez produce un efecto auto-alineante en ambas ruedas y provee cierta estabilidad direccional (consultar bibliografía).16. -. Offset: es la distancia entre el eje de dirección y el mandril de la rueda delantera, medida en un ángulo recto con respecto al eje de dirección.. -. Centro de gravedad: es el punto en donde se supone concentrado todo el peso de la moto, y el de sus ocupantes. Este punto varía por tanto según el número de pasajeros y el peso de los mismos.. -. Distancia entre ejes: es la distancia entre los centros de las ruedas de la motocicleta, entre mayor sea esta distancia, menor capacidad de giro tiene la motocicleta, pero a cambio se obtiene mayor estabilidad en línea recta. La razón de esto es que al tenerse una mayor distancia entre ejes, el ángulo de giro necesario en al manubrio de la dirección para tomar una. 16. T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design.

(26) IM-2004-II-11. 20. curva dada será mayor que para una distancia entre ejes menor. Esto se ve explicado en la siguiente figura.. Fig.1.4 Diferencia de distancias entre ejes17. 17. Dibujo tomado de T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design.

(27) IM-2004-II-11. 21. 1.3. Suspensión. 1.3.1. Principios básicos. La función principal de la suspensión es proteger tanto al ocupante como a la maquina del efecto de los impactos durante la marcha normal del vehículo. También debe ayudar a tener unas buenas características de manejo (estabilidad, adherencia y maniobrabilidad), aunque éstas en algunos casos vayan en detrimento de la primera. Se busca entonces como ya se ha dicho un compromiso entre los muchos factores que entran en juego, dependiendo del propósito de la máquina.. 1.3.1.1. Componentes. Resorte: se caracteriza principalmente por su capacidad de oponerse a las fuerzas, lo que depende de su rigidez, medida con una constante, la cual se expresa en N/mm. Su función dentro del conjunto de la suspensión es la de absorber el impacto de los desniveles del suelo.. Amortiguador: su característica principal es su coeficiente de amortiguamiento, que mide su capacidad de disipar energía para amortiguar movimientos y llevar un sistema dado al estado de equilibrio. Su función dentro de la suspensión es la.

(28) IM-2004-II-11. 22. de disipar la energía cinética transformándola en calor para detener el movimiento de oscilación del resorte.. Conjunto Rin-Llanta: se modela comúnmente a este conjunto como un sistema resorte-amortiguador, convirtiendo a las llantas en la parte más importante de la suspensión. Su comportamiento como elemento de la suspensión depende de la presión de llenado, de sus dimensiones (diámetros y ancho) y material de construcción.. Masa resortada: es la masa del conjunto general de la moto que se ve beneficiada por la suspensión y sus efectos, es decir, todo el conjunto de la moto, con excepción de las ruedas, los frenos y las barras de la suspensión (a lo que se llama masa no resortada).. 1.3.1.2. Conceptos de diseño. Frecuencia de la suspensión: es la frecuencia natural del sistema de suspensión, para efectos de este trabajo se simplifica como la frecuencia natural del resorte.. Recorrido: es la distancia máxima que la suspensión permite desplazar verticalmente el centro de la rueda, medida desde la posición en que el resorte esta sin carga hasta su punto de máxima compresión (resortes helicoidales de compresión)..

(29) IM-2004-II-11. 23. Frenado y aceleración: estos fenómenos alteran la distribución de esfuerzos a los que están sometidas las suspensiones, por trasferirse peso hacia delante (frenado) o hacia atrás (aceleración), comprimiendo las suspensiones.. Suspensión lateral: se requiere al ladearse la moto y pone a prueba la adecuada rigidez del chasis. Hace además referencia a la gran exigencia que recae sobre el conjunto de suspensión al ladearse la moto para tomar una curva.. 1.3.2. Suspensión delantera. 1.3.2.1. Geometrías. Tenedores telescópicos: son los más comunes por ser los más baratos y más fáciles de diseñar. Presentan problemas de falta de rigidez lateral y de pérdida de efectividad en la frenada.18. Leading Link: son más difíciles y costosos de diseñar, pero una vez logrado un buen diseño pueden tener bastantes ventajas sobre los telescópicos, como son: 1. Mayor rigidez lateral. 2. Mayores posibilidades de diseño de efecto anti-picada. 3. Menor masa no resortada. 18. Motorcycle front suspension systems: Traditional problems and alternative solutions http://splashmedia.co.nz/users/britten/art3.html.

(30) IM-2004-II-11. 24. Training Link: tiene algunas las mismas ventajas del trailing link respecto a los telescópicos, pero produce una mayor inercia direccional, haciéndolo mas incómodo de manejar por requerir mayor esfuerzo por parte del piloto para lograr un desplazamiento dado de la dirección..

(31) IM-2004-II-11. 25 2. DISEÑO DE LA SUSPENSIÓN DELANTERA. 2.1. Parámetros iniciales. Teniendo en cuenta que uno de los objetivos principales de este proyecto era el de mantener unos costos inferiores a $300.000 pesos para la construcción de todo el conjunto de la suspensión y que los requerimientos de desempeño de la moto, dados por el desarrollo previo por parte de otros alumnos no eran demasiado exigentes, se pensó inicialmente en utilizar un tipo de resorte económico. La opción mas común hubiera sido un resorte helicoidal, pero se optó por intentar usar un tipo de resorte de aplicación poco común en las motocicletas, pero fácilmente asequible, como es el resorte de hoja o tipo ballesta.. Teniendo en cuenta lo anterior, se procedió a definir la geometría de la suspensión en su conjunto. Los telescópicos, aunque siendo los más comunes, quedaron eliminados inmediatamente, debido a la elección del resorte de hojas. Se optó entonces por usar la geometría más observada en los pocos ejemplos existentes de motocicletas con ballesta, el leading link. Esta, además, proponía un reto de diseño mayor y una capacidad de desempeño superior al de las geometrías más comunes (telescópicos)..

(32) IM-2004-II-11. 26. Finalmente, parecía perfectamente acoplable al chasis ya desarrollado por los demás alumnos involucrados en el macro-proyecto.. Durante el proceso de observación de los ejemplos existentes de suspensiones con ballesta en motocicletas, se notó que en muchos casos prescindían del uso de amortiguadores. Esto dió la idea de intentar eliminar también en nuestro caso el amortiguador, por considerarse que no era necesario para nuestra suspensión, con la condición lógica de que la ausencia del amortiguador no fuera a perjudicar de forma alguna el desempeño de la suspensión. Además, al eliminar el amortiguador, continuarían disminuyendo los costos y se simplificaría de forma notoria el conjunto general de la suspensión. Con estas condiciones, la propuesta inicial era aproximadamente la siguiente:. Fig.2.1 Propuesta Inicial.

(33) IM-2004-II-11. 27. El conjunto rin-llanta no era tan claro, puesto que no se contaba con ninguno a nuestra disposición. Se prefirió entonces diseñar primero el conjunto de suspensión como tal y buscar después la llanta y el rin dependiendo de los requerimientos que se obtuvieran del diseño.. 2.2. Diseño preliminar. El primer diseño se realizó en dos dimensiones, teniendo en cuenta el chasis ya desarrollado y el ángulo de inclinación dejado por este desarrollo, que era de 11º. El diámetro de la rueda fue aproximado teniendo en cuenta datos comunes para los vehículos de este tipo.. Fig.2.2 Primer diseño, inclinación de 11º. Tras este primer diseño se observó que se requería una distancia mayor entre la rueda y el chasis. Pero siendo imposible desplazar la rueda hacia delante debido.

(34) IM-2004-II-11. 28. a la necesidad de mantener el efecto auto-alineante de la rueda, se necesitaba aumentar el ángulo de inclinación. Se decidió entonces, teniendo en cuenta las lecturas previas sobre el tema19, que un ángulo de 20º permitiría obtener una mayor distancia entre rueda y chasis, sin alterar la maniobrabilidad que se tenía con los 11º. El único problema que esto conllevaría, sería la necesidad de alterar la geometría dada del chasis, aunque después de un breve análisis, se decidió que no era ni complicado ni perjudicial de forma alguna para el comportamiento dinámico del mismo, dado que solo se requería una alteración de 9º. Originalmente se pensó en obtener un ángulo mayor, más cercano al llamado numero mágico de 27º20, pero resultaba imposible deformas de tal manera el chasis. El diseño obtenido entonces fue el siguiente, con la conversión a 20º:. Fig.2.3 Segundo diseño, inclinación de 20º. 19 20. T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design.

(35) IM-2004-II-11. 29. Ya estando definida con certeza la distancia entre la rueda y el chasis, se procedió a mejorar los detalles geométricos del conjunto de la suspensión, con miras a obtener un adecuado modelaje y una mejor distribución de los esfuerzos involucrados. La idea principal era trasmitir la fuerza de forma perpendicular al resorte de ballesta, para lo cual se debía tener en cuenta las diferentes configuraciones posibles para una suspensión de nuestro tipo, las cuales se muestran a continuación:. Fig.2.4 Configuraciones para el leading link. Se escogió la primera configuración, por ser la más adecuada para la idea pretendida, dado que la forma de pivotar de la articulación dirigirá la fuerza hacia las hojas de la ballesta de forma perpendicular a estas. Además, se planteo paralelamente la frecuencia natural que tendría la suspensión y por lo tanto la constante del resorte. Así, se obtendría la longitud de éste, para poder acomodarlo de forma previa a la geometría del conjunto..

(36) IM-2004-II-11. 30. Se optó por un valor de 2.5 Hz, ya que en términos generales, de desearse un buen comportamiento a un amplio margen de velocidades sin necesidad de un amortiguador, el resorte no debe ser demasiado rígido y por lo tanto su frecuencia natural deberá ser baja. El único problema que un resorte de hojas de baja rigidez genera es su longitud, que se despeja de la ecuación K = 2.67bh3E/L3, en donde K es la constante del resorte (que es proporcional a la frecuencia), b es el ancho de la hoja, h el grosor de la hoja, E el modulote elasticidad del material y L la longitud del resorte. Es claro entonces que para una baja frecuencia, y por lo tanto un bajo K, L debe aumentar. Por esto el valor de 2.5 Hz fue escogido buscando un equilibrio entre la frecuencia y la longitud del resorte. El diseño obtenido fue el siguiente:. Fig.2.5 Tercer diseño, inclinación de 20º.

(37) IM-2004-II-11. 31. 2.3. Refinamiento del diseño. 2.3.1. Parámetros de entrada. Los parámetros de entrada que se utilizaron para el refinamiento del diseño fueron: -. 2 dimensiones (la distancia entre los tubos #1 y el centro de la rueda y la longitud de los tubos #1), que se mantendrían fijas y que darían una pauta inicial para ajustar el resto de las dimensiones de la suspensión21.. -. La frecuencia natural de la suspensión, que como ya se mencionó, dictaría la constante del resorte y por lo tanto, la dimensión de éste y la geometría asociada. Se mantuvo como valor preferido 2.5 Hz, y se comprobó que si servia para las aplicaciones deseadas.. -. El recorrido deseado para la suspensión, que terminaría de dictaminar la geometría necesaria de los diferentes componentes de la suspensión. Dado que la máquina no requiere de forma alguna un gran recorrido en la suspensión debido a su carácter netamente urbano, se formuló inicialmente un recorrido de 50 mm.. -. El material a utilizar, dado que éste también tiene un efecto sobre la geometría de la suspensión en general y se requiere para el adecuado análisis de esfuerzos. Se decidió utilizar acero estructural, el mismo material anteriormente usado para el desarrollo del chasis, tanto por sus. 21. ver figura 2.6.

(38) IM-2004-II-11. 32. características mecánicas como por su reducido precio. Las propiedades mecánicas y físicas de este material se citan a continuación: E. 210. Gpa. G. 81. Gpa. σu. 427. Mpa. σf. 317. Mpa. Elongación a (50.8 mm). 21%. υ. 0.3. α. 12 x10 −6. 1/ο C. ρ. 7850. Kg / m 3. Tabla.2.1 Propiedades físicas del acero estructural. 2.3.2. Comprobaciones y análisis de esfuerzos. Los componentes del conjunto se nombraron como se muestra en la siguiente gráfica:. RESORTE. PLATINA SUPERIOR. PLATINA LATERAL. PLATINA INFERIOR TUBOS #2. ARTICULACIONES. Fig.2.6 Nombres de las partes del conjunto. TUBOS #1.

(39) IM-2004-II-11. 33. Los esfuerzos del conjunto de la suspensión se calcularon para tres tipos de carga distintos: el caso estático (moto en reposo o en movimiento de velocidad constante), durante la acción de frenado y en una curva de 35m de radio a una velocidad de 60km/h (velocidad máxima teórica a la que se puede transitar en Bogota) y con inclinación de 30º. Debido a que el análisis de cargas sobre los miembros de la suspensión resultaba en un problema indefinido, las fuerzas actuantes en cada uno de estos miembros se despejaron con base en la fuerza generada por el resorte.. La geometría está dada por los parámetros de entrada, por lo que se calculó primero la longitud de la ballesta. Posteriormente, se obtuvieron las geometrías exactas del tubo #2, las platinas laterales, las articulaciones, la platina superior y la platina inferior. A continuación se despejaron diámetros y espesores de las ecuaciones de esfuerzos (estáticos y cíclicos) para cada tipo de carga y cada pieza. El parámetro de falla tanto para cargas estáticas como cíclicas fue el esfuerzo de fluencia del material. Los tipos de cargas estudiadas en cada una de las piezas se citan a continuación, junto con las ecuaciones usadas y los resultados obtenidos..

(40) IM-2004-II-11. 34. 2.3.2.1. Caso estático. Para el caso estático consideramos únicamente el peso de los diferentes componentes de la moto y el peso del piloto. Las reacciones en cada una de las llantas se obtuvieron mediante la siguiente fórmula y los siguientes datos, así como con el diagrama de cuerpo libre de la moto, todo mostrado a continuación, junto con los resultados obtenidos: d-a (mm). 870. a (mm). 630. d (mm). 1500. h (CoG) (mm). 432.5. Nsd (N). 1619.94. Nst (N). 1173.06. Masa sd (Kg). 165.3. Masa st (Kg). 119.7. a d (d − a) N st = mg d N sd = mg. Nsd. Nsd. Nst. Nst. Fig.2.7 Caso estático22. 2.3.2.2. Frenado. En el momento de la frenada, gran parte del peso de la moto se transfiere hacia la parte delantera, aumentando los esfuerzos a los que se ve sometida la suspensión delantera. 22. Dibujo tomado de T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design.

(41) IM-2004-II-11. 35. En la desaceleración (frenado), la fuerza total la realizan en conjunto los frenos delanteros y traseros, pero en diferente proporción, dependiendo esta proporción totalmente del piloto. Para la frenada se asumió una desaceleración de 0.9 gravedades, cifra que, teniendo en cuenta los promedios habituales de desaceleración de diferentes motos (Figura 2.8), se podría considerar como deficiente, pero que, teniendo en cuenta que se desconocía hasta ese momento la capacidad del conjunto de frenos delanteros y traseros, resultaba bastante apropiada. Promedio de desaceleracion de 100 - 0 kph 1.2 1. G`s. 0.8 0.6 0.4 0.2. Tr iu. m ph. Sp Su eed zu T k ri H on D i SV ple da uc 6 a 50 H on S CBR ti S T d u H a V zuk 600 4 on T i F da R1 Hi 4i 0 b Su CB 00 uos zu R 9 SP k i 00 - 1 Tr GS RR i u X -Y m -R ph 7 T 50 D D BM uc T60 uc W a 0 ti at i M F6 9 9 6 Ka on 50G s w t S H as er C on a d ki ity H -D T a S Z-R FL rium T 1 7 H p 10 R H R h sp 0 on o r Ka w B da ad int as M G Ki ak W L n g i V R 18 ul 11 00 ca 00 n G N S om ad. 0. Fig. 2.8 Promedio de desaceleración en G´s23. 23. Gráfica tomada de T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design.

(42) IM-2004-II-11. 36. También se asumió una repartición de fuerzas de 60% adelante y 40% atrás, la cual aunque asumida resulta bastante coherente. Con estos datos como base, y realizando un diagrama de fuerzas del momento de la frenada, se obtuvieron los siguientes resultados. Las ecuaciones utilizadas también están indicadas.. N sd = mg Desaceleracion (g's). 0.9. Fuerza de frenado (N). 2513.7. F delantero (N). 1508. F trasero (N). 1005. Nsd (N). 2344.7235. Nst (N). 448.2765. Masa sd (Kg). 239.2575. Masa st (Kg). 45.7425. a d. N sd = mg. (d − a) d. Fig.2.9 Frenado24. Para este caso de carga, los esfuerzos generados sobre las diferentes partes de la suspensión delantera son mayores que en el caso estático. Bajo las condiciones de frenada que se supusieron, no existirá falta de adherencia, dado que en ningún caso la fuerza de frenado es mayor al producto de la normal por el coeficiente relativo de deslizamiento (que se asumió seria de 0.8). Mientras se cumpla lo anterior, se tendrá una frenada segura y predecible.. 24. Dibujo tomado de T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design.

(43) IM-2004-II-11. 37. 2.3.2.3. Curva. En este caso de carga la suspensión también se verá sometida a mayores esfuerzos que en el caso estático, debido a la reacción originada al inclinarse la moto para tomar la curva. Esta reacción y su magnitud, dependen del ángulo de inclinación de la moto, como se muestra en la figura. En este caso también entran en consideración el radio de la curva y la velocidad a la cual se tome ésta, todo lo cual afecta la aceleración centrifuga y por tanto la capacidad de la moto para mantenerse tomando la curva. Los cálculos realizados y las consideraciones geométricas se encuentran a continuación: Angulo de inclinacion Velocidad de curva (km/h) Radio de la curva (m) aceleracion lateral (m/s^2) Fuerza (N) delantera trasera total Resultante delantera (N) Resultante trasera (N). 30 60 35 7.9365079 1311.9048 950 2253.8348 3239.88 2346.12. V 2 (16.66m / s) m a= = = 7.93 2 r 35m s F = ma = 2253.83N. Fig.2.10 Curva25. 25. Dibujo tomado de T. Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design.

(44) IM-2004-II-11. 38. La mayor exigencia sobre la suspensión (tanto trasera como delantera) y sus diferentes partes, se presenta en este caso de carga. Es por esto que se utilizó este caso para realizar los cálculos de esfuerzos sobre los elementos del conjunto de suspensión, omitiendo los otros dos casos por ser menos exigentes. Para los cálculos de esfuerzos se utilizaron la ecuación de Von Misses ⎛. ⎞. ⎛ F M ⋅c ⎞ ⎛T ⋅c ⎞ ⎟ + 3⎜ δ VM = ⎜ ⎜ + ⎟ ⎟ ⎟ ⎜ 2. ⎝⎝ A. I. ⎠. 2. ⎝ J ⎠ ⎠. (esfuerzos estáticos) y el coeficiente de fatiga de cada uno de los componentes (esfuerzos cíclicos).. Para tubos 1 F axial (N) F perpendicular (N) D (mm) / (m) d (mm) / (m) l (mm) / (m) Kfs Se. 800 1440 26 20 353. Sigma VM (Pa) / (Mpa) 0.026 0.02 0.353. 1.293 168.524. 113924360 n. Sigma con Kfs (Mpa). Para tubo 2 F axial (N) F perpendicular (N) D (mm) / (m) d (mm) / (m) l (mm) / (m) Kfs Se. 1500 1440 32 25 300 1.293 168.524. Sigma VM (Pa) / (Mpa) 0.032 0.025 0.3 Sigma con Kfs (Mpa). 58.68452. 5.40176547. 75.879081 nf. < Sy. 1.1440543. 58684517.4 n. < Sy. 2.78254801. 147.304197 nf. 113.9244. 2.22095468. < Sy. < Sy.

(45) IM-2004-II-11. 39. También se tuvo en cuenta la ecuación de pandeo para columnas de Jhonson para el caso de los tubos #126, obteniéndose una carga critica de 5kN, cifra muy superior a las de las cargas habituales para esa pieza.. Adicionalmente se realizaron cálculos para dictaminar los cordones de soldadura y los tornillos que se debían usar en el ensamblaje de las diferentes partes.. Soldadura Platinas tubo 2 Pa Taop 22402751 Taop' 41486575.8 Taoa 23336198.9 Taoa' 43215183.2. Mpa 22.402751 41.4865758 23.3361989 43.2151832. Taopt Taoat. 47.1489048 49.1134425. Taot. 68.081932. Soldadura Anexos Platinas principales Pa Mpa Taop 14935167.3 14.9351673 Taop' 122039677 122.039677 Taoa 8297315.17 8.29731517 Taoa' 0 0 Taopt Taoat. 122.950161 8.29731517. Taot. 123.229816. Se (Mpa) h (mm) r (mm) Kfs. 141.34 4 12.5 6.912. nf. SE (Mpa) h (mm) r (mm) Kfs. nf. 0.004 0.0125. 2.07602804. 141.34 6 12.5 6.912. 0.006 0.0125. 1.14696268. El resultado de todos los cálculos anteriores fue un conjunto que en general opera con un factor de seguridad entre 1.1 y 2.3, siendo estas cifras bastante comunes entre los vehículos de este tipo.. 26. Shigley, Mischke, 2001, Mechanical Engineering Design, 6th Edition, McGraw Hill.

(46) IM-2004-II-11. 40. 2.3.3. Conjunto Llanta-Rin. Paralelamente a los cálculos y comprobaciones se escogió el conjunto llanta-rin que iba a ser usado. La decisión tuvo en cuenta muchos factores. Por tratarse de una moto de dimensiones y peso considerables, los conjuntos llanta-rin económicos disponibles, provenientes de motocicletas de baja cilindrada (así como de poco peso y bajas prestaciones), no tienen la capacidad de carga suficiente. Por otra parte, los conjuntos llanta-rin de motocicletas de alta cilindrada y peso resultan en un aumento significativo de los costos que en este proyecto no se podían permitir. La opción entonces se traslado al campo de los automóviles, en donde las ruedas están diseñadas para soportar cargas mayores. El problema radicaba ahora en el diámetro total del conjunto, que suele ser mucho mayor en las motocicletas que en los automóviles. Además, el ancho de las ruedas de motocicleta es mucho menor que el de los carros, especialmente en el caso de la rueda delantera. Por eso la elección clara era alguna combinación de diámetro considerable, y que tuviera la menor anchura posible. La solución se encontró en el Volkswagen escarabajo, cuyo rin original no solo proveía la combinación geométrica necesaria, sino que al incluir la campana del freno, se podía aprovechar e implementar este sistema a nuestra motocicleta, disminuyendo aún más nuestros costos y cumpliendo con el objetivo de reciclar partes en caso de ser posible..

(47) IM-2004-II-11. 41. Una vez escogida esta rueda, se adicionó a los cálculos del conjunto general, para poder tener en cuenta el papel vital que juega la rueda en la suspensión y la forma en que podría alterar el comportamiento de ésta.. 2.3.4. Análisis frecuencial. Mediante el análisis frecuencial se buscó demostrar la plausibilidad de no usar amortiguador sin poner en entredicho el comportamiento dinámico de la motocicleta. Se modeló la máquina completa sostenida en dos ruedas, de forma que se pudieran utilizar diferentes frecuencias adelante y atrás para obtener un margen más amplio de desempeño. Lo primero fue decidir el modelo a utilizar, dado que existían tres posibilidades. En la primera, se asume un comportamiento independiente de la parte trasera y delantera, sin relación entre las dos. En la segunda, se asumen las dos partes juntas, de forma que la acción en cualquiera de los dos extremos influye en la moto como un todo. En la tercera, se toman también juntas, pero además se tiene en cuenta su momento de inercia respecto al centro de gravedad, de forma que el modelaje sea más preciso y los resultados más cercanos a la realidad. Finalmente se decidió usar el segundo tipo de modelo, pues aunque el tercero ofrecía mayor precisión en el análisis del comportamiento de la moto, el segundo.

(48) IM-2004-II-11. 42. era más que suficiente, especialmente si se tiene en cuenta que nuestro verdadero interés se centraba principalmente en la suspensión delantera.. Una vez decidido el modelo a ser usado en el análisis frecuencial, se simularon una combinación de diferentes terrenos posibles por los cuales podría transitar la motocicleta, y se observó su comportamiento, siendo los puntos de observación los desplazamientos de la parte delantera, la trasera y el centro de masa. Para esto se fijaron ciertos parámetros que fueron: -. Frecuencia de la suspensión delantera: 2.5 Hz. -. Frecuencia de la suspensión trasera: 3 Hz (mayor a la delantera para obtener un margen mas amplio de desempeño del conjunto general del vehículo). -. Coeficiente de amortiguamiento delantero: 0.1 (debido a la llanta)27. -. Coeficiente de amortiguamiento trasero: 0.3 (debido a la llanta y al posible amortiguador)28. Las gráficas obtenidas se muestran a continuación: e=1.5 3.5 3. |M. 2.5 delantera. 2. trasera. 1.5. CoG. 1 0.5 0 0. 10. 20. 30 velocidad (km/h). 27 28. T.Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design T.Foale, 2002, Motorcycle Handling and Chassis Design. 40. 50. 60.

(49) |M. IM-2004-II-11. 43. e=3. 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0. delantera trasera CoG. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. velocidad (km/h). e=4.5 6 5. |M. 4. delantera. 3. trasera. 2. CoG. 1 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. velocidad (km/h). e=20 2 1.5 |M|. delantera trasera. 1. CoG 0.5 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. velocidad (km/h). Fig.2.11 Velocidades contra trasmisibilidad para diferentes distancias entre baches (e).

(50) IM-2004-II-11. 44. 120. velocidad (km. 100 80 60 40 20 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. distancia (m). Fig.2.12 Puntos de resonancia de la suspensión delantera. Es claro que existen momentos en lo cuales la suspensión de la moto trasmite gran parte de las ondulaciones del terreno al ocupante, pero esto ocurre siempre a bajas velocidades (máximo hasta los 30 km/h), velocidades a las cuales no se transitará en condiciones normales durante mucho tiempo. Además, en esta simulación se están asumiendo ondulaciones continuas a la misma distancia, un fenómeno que no es común, y que tiende de cualquier forma a ser incómodo sin importar el sistema de suspensión. Un ejemplo de un tipo de terreno similar seria la calzada de las calles en las cuales se haya utilizado lozas para su construcción. Los resultados que arrojan estas gráficas fueron entonces los esperados y comprobaron que no se requiere un amortiguador para la suspensión del vehículo de este proyecto..

(51) IM-2004-II-11. 45. Teniendo en cuenta el conjunto llanta-rin que se eligió, el coeficiente de amortiguamiento de éste debe ser considerable, por lo cual el punto de resonancia como tal no se daría y la suspensión nunca tendría este problema, incluso si se dieran las condiciones exactas para que entrara en resonancia.. 2.3.5. Diseño en 3D. Con todas las dimensiones del conjunto, incluyendo la rueda, se procedió a comprobar el diseño en 3D. Primero se realizó un boceto final en 2D, que se muestra a continuación:. Fig.2.13 Diseño final en 2D.

(52) IM-2004-II-11. 46. Posteriormente se realizó el modelo de la suspensión delantera en 3D y se acopló como tal al conjunto general de la moto, incluyendo suspensión y rueda trasera, el motor y el chasis. Se obtuvo así una visión general completa del proyecto y su desarrollo, comprobándose la correcta combinación con el resto del conjunto y dando entonces por finalizado el proceso de diseño de la suspensión. Este resultado se muestra a continuación:. Fig.2.14 Diseño final en 3D, acoplado al resto del conjunto.

(53) IM-2004-II-11. 47 3. DISEÑO DE LA DIRECCIÓN. 3.1.. Parámetros iniciales y conceptos básicos. Para la dirección se tuvieron como base las dimensiones del chasis previamente desarrollado y las de la suspensión, una vez terminado el diseño de esta ultima. El primer concepto a tener en cuenta en el momento de diseñar la dirección es el de la ergonomía, puesto que el buen desempeño de la dirección depende totalmente de la comodidad y capacidad de operación del piloto. Para esto se debe tener en cuenta la geometría de los manubrios, pedales y silla, así como las distancias y ubicación entre ellos y el marco general de la motocicleta.. 3.2.. Proceso de diseño. Lo primero que se hizo fue estudiar la ubicación y forma de la silla, pedales y manubrios de motocicletas de geometría similar, como es el caso de las HarleyDavidson Road-King y Heritage, que tienen el chasis en el cual esta basado el de la moto de este proyecto. Se realizó un fotomontaje, que se muestra a continuación, en el que se puede visualizar de forma mas detallada la posición en la que debe estar acomodada una persona en la moto de nuestro proyecto..

(54) IM-2004-II-11. 48. Fig.3.1 Fotomontaje del chasis sobre la imagen de una Harley-Davidson Heritage. A continuación se procedió a aplicar estas observaciones, combinándolas con tablas de factores humanos disponibles. El diseño así obtenido se modeló inmediatamente en 3D y se incluyó en el conjunto general de la moto, obteniéndose el diseño final..

(55) IM-2004-II-11. 49. Fig.3.2 Diseño final, con manubrio y silla.

(56) IM-2004-II-11. 50. 4. Construcción. Una vez se tuvo el diseño completo del conjunto de la suspensión, se procedió a la construcción de la misma, de forma que se pudiera acoplar al chasis existente y se comenzara a visualizar de forma más real el macro-proyecto.. 4.1.. Manufactura de las partes. La primera parte consistió en la fabricación de las piezas que componen el conjunto de la suspensión y dirección. Para esto, como ya se indicó anteriormente en la parte de diseño, se utilizó acero estructural ASTM-500 grado A. Tras adquirir el acero y cortar la mayoría de piezas con oxiacetileno en el mismo lugar de la compra, se realizó el proceso de maquinado de las diferentes piezas en el taller del departamento de ingeniería mecánica de la Universidad de los Andes. La exactitud de las dimensiones de cada uno de los componentes fue un punto muy importante en este proceso, dado que de esto dependía la correcta construcción de todo el conjunto y el adecuado desempeño del vehículo..

(57) IM-2004-II-11. 4.2.. 51. Ensamblaje. Tendiendo las partes ya elaboradas, se dio inicio al ensamblaje de la suspensión. Esta fase no presentó ningún problema, debido a la buena manufactura de cada una de las partes. Una vez se tuvo el conjunto como tal de la suspensión ensamblado, se acopló al chasis, proceso en el cual tampoco se tuvo ningún inconveniente, debido a las adecuadas dimensiones del conjunto. El resultado obtenido se muestra a continuación en la parte de resultados, tras adicionársele el manubrio de la dirección. La llanta no fue acoplada, puesto que antes de eso se requería alterar la geometría del chasis, proceso que no alcanzó a ser realizado debido a la complejidad del mismo..

(58) IM-2004-II-11. 52. 5. RESULTADOS. Tras todo el proceso anterior, se obtuvo entonces el diseño completo del vehículo. Las dimensiones de este fueron las siguientes:. Fig.5.1 Geometría final del conjunto. Se observa el ángulo de inclinación, que quedó en los 20º deseados. La distancia entre ejes se vio reducida de 150 cm teóricos a 139.44 cm, dándole.

(59) IM-2004-II-11. 53. esto un poco mas de maniobrabilidad al vehículo, pero sin llegar a ser demasiado significativo. Esta reducción en la distancia entre ejes se debió al cambio del ángulo de inclinación, dado que el diseñador del chasis había asumido un ángulo de inclinación de 36º. El trail delantero se mantuvo positivo, parte esencial del problema. En la parte de ensamblaje también se obtuvieron resultados muy positivos, dado que se pudo construir el conjunto sin ningún tipo de dificultades y se pudo demostrar la viabilidad del macro-proyecto como tal. El resultado final de este montaje se muestra a continuación.. Fig.5.2.

(60) IM-2004-II-11. 54. Fig.5.3. Fig.5.4. Fig.5.5.

(61) IM-2004-II-11. 55. Por otra parte, uno de los grandes objetivos de este proyecto de grado era el Fig.5.6 mantener los costos lo más bajos posible, por debajo de los $300.000 pesos. Esto se logró a cabalidad, dado que se obtuvo un conjunto de suspensión, frenos y dirección delanteros por un precio muy inferior al de los conjuntos disponibles en el mercado para un vehículo de estas dimensiones y peso. La relación de costos se muestra continuación: costo (pesos) Componentes acero. $100000. Soldadura. $25000. Maquinado. $8000. Conjunto rin-llanta. $70000. Tornillos. $10000. Hoja ballesta. $18000. Manubrio. $20000. Soporte Manubrio. $16000. Total. $267000. Tabla.5.1 Costos.

(62) IM-2004-II-11. 56. Los resultados en general se pueden calificar de buenos. Los objetivos se cumplieron en su totalidad en el tiempo previsto y no se tuvieron mayores tropiezos en ninguna parte del proceso. El conocimiento adquirido sobre el tema fue enorme y crea una base invaluable para posteriores estudios o proyectos. Así mismo, se demostró la viabilidad del macro-proyecto y se dio un paso más hacia el desarrollo final de este.. 5.1.. Desarrollo a seguir. Tras finalizar este proyecto de grado quedan algunas cosas por realizar, tanto en el sistema de suspensión y dirección como en el conjunto general del vehículo. La primera seria obviamente la alteración de la geometría del chasis, con miras a ensamblar el conjunto llanta-rin junto con su respectivo sistema de frenos. Este proceso requiere de mucho cuidado, para no provocar ningún daño en el chasis ni en su desempeño. Tras esto, se podría proceder a desarrollar y montar la suspensión trasera, montar el motor ya desarrollado el semestre pasado e implementar los demás accesorios faltantes para el funcionamiento del conjunto completo del macroproyecto. Con todo lo anterior, se podrían realizar pruebas del vehículo en funcionamiento y obviamente desarrollar posibles mejoras al conjunto en general y a cada uno de sus componentes..

(63) IM-2004-II-11. 5.2.. 57. Aportes y posibles mejoras. Como es lógico, durante el desarrollo de este proyecto, el conocimiento y la comprensión del tema tratado aumentó enormemente en comparación al que se tenía al comenzar el semestre. Por esto, al final, se observan claramente muchas mejoras posibles tanto para este proyecto como para el macro-proyecto en general. Así mismo, se ven los aportes para el futuro desarrollo de suspensiones de vehículos de dos ruedas que este mismo proyecto ha dejado. Principalmente, es claro que la viabilidad de una suspensión de resortes de ballesta para vehículos de dos ruedas es real y muy factible. Siendo este un proyecto de bajo presupuesto, no se podían aprovechar los adelantos que en este tipo de resortes de ha dado en los últimos años, como es la implementación de polímeros reforzados y otros materiales compuestos para su fabricación. Pero de contarse con mayor presupuesto, se podrían lograr sistemas de suspensión con resortes de hoja muy livianos y que podrían incluso ofrecer ventajas frente a los sistemas con resortes helicoidales. Es ahí donde el desarrollo de este proyecto deja tantos aportes, dado que en caso de contarse con otros materiales (tanto para el resorte como para el resto del conjunto), simplemente se tendría que usar el mismo procedimiento que en este caso, pero teniendo en cuenta dicho cambio de materiales..

(64) IM-2004-II-11. 58. Otra posible mejora sería el diseño con otro tipo de geometría, algo más sofisticada, como es el caso del telelever de BMW, en la cual la implementación de un resorte de ballesta es muy factible, debido a la geometría habitual de ese sistema. El único impedimento para aplicar esta geometría en nuestro macroproyecto consistió en que para el desarrollo de este tipo de suspensión, el chasis debió haber sido diseñado con ese fin, algo que no se tuvo en cuenta en este caso. Esta mejora tendría entonces que ser contemplada desde un principio de forma que los diseñadores del chasis y de la suspensión trabajaran en conjunto. Finalmente, en caso de buscarse otro tipo de aplicación para el vehículo (más deportivo o de más alto rendimiento), se debería considerar el uso de amortiguadores. La ventaja del conjunto desarrollado en este proyecto es que la geometría deja espacio para la implementación de amortiguadores, de forma que no requiere un gran rediseño. Así mismo, de diseñarse la suspensión con el sistema telelever anteriormente mencionado, también se pueden implementar fácilmente los amortiguadores en caso de ser necesarios. Una última observación debe hacerse en cuanto al conjunto llanta-rin. En nuestro caso, el uso de un conjunto proveniente de un Volkswagen escarabajo era adecuado, pero de tratarse de una aplicación de mayor desempeño dinámico, se requeriría un conjunto llanta-rin de motocicleta de altas prestaciones. De no ser así, se podría tener un muy mal desempeño y posibles accidentes por falta de adherencia, especialmente al tomar curvas a altas velocidades..

(65) IM-2004-II-11. 59. De cualquier forma, como ya se ha mencionado, el desarrollo del macroproyecto hasta el momento se puede considerar como exitoso y se espera que su desarrollo continué hasta darse por concluido, pues puede resultar en un aporte importante al desarrollo de los vehículos de dos ruedas en general.. 5.3.. Conclusiones. Mediante este proyecto de grado se demostró que se puede diseñar y construir un sistema de suspensión y dirección para motocicleta económico y de buen desempeño. También se demostró que mediante un adecuado diseño existe la posibilidad de prescindir de un amortiguador en el sistema de suspensión, así como de implementar un resorte de ballesta, algo muy poco habitual en vehículos de dos ruedas. Finalmente, se puede concluir que este proyecto de grado fue un éxito, pues no solo se cumplieron todos los objetivos y se demostraron capacidades de diseño, sino que se dio un paso más hacia la culminación del macro-proyecto del vehículo de dos ruedas en desarrollo en el departamento de ingeniería mecánica de la Universidad de los Andes..

(66) IM-2004-II-11. 60. Bibliografía y Referencias. -. Motorcycle handling and chassis design, the art and science / Foale, Tony 2002 / Mediaprint. -. The automotive chassis : engineering principles / Reimpell, Jörnsen. -. Técnica del automóvil / Lucius, Arnoldo. -. Commercial vehicles and highway dynamics / Society of Automotive Engineers (Estados Unidos). -. Heavy vehicle dynamics and simulation in braking, steering, and suspension systems / Sailer, Ulrich. -. New developments in axle, steering, suspension, and chassis technology / Esmailzadeh, E.. -. Adams/Vehicle : versión 8.0 / Mechanical Dynamics, Inc.. -. Race Car Vehicle Dynamics / Metz, L. Daniel; Milliken, William F.; Milliken, Douglas L..

(67) IM-2004-II-11 -. 61. Motorcycle front suspension systems: Traditional problems and alternative solutions http://splashmedia.co.nz/users/britten/art3.html. -. Race Tech Inc. / http://www.race-tech.com/. -. Telelever suspension BMW motorcycle http://www.mecc.unipd.it/~cos/DINAMOTO/Telelever%20or%20forks/Telel ever.html. -. History of Motorcycle Suspension http://www.directparts.com/static/goose/suspension.htm. -. Leaf Springs http://www.engin.umich.edu/labs/csdl/ME350/springs/leaf/.

(68) IM-2004-II-11. 62. No 1 2. ANEXO 1. 7. Pieza Manubrio Soporte Manubrio Platina Superior (soldada) Platina Inferior (soldada) Lamina 2 Ballesta Lamina 1 Ballesta Platina Soporte Ballesta. PLANOS. 8. Tubo 1. 9. Articulación. 10 11. Tubo 2 Buje Ballesta. 12 13 14 15 16. Pasador Ballesta Llanta 155 R15 Aro Externo rin Campana Frenos Parte Interna rin. 17. Eje. 3 4 5 6. Material Aluminio Aluminio Acero ASTM 500 Acero ASTM 500 Acero Acero Acero ASTM 500 Acero ASTM 500 Acero ASTM 500 Acero ASTM 500 Bronce Acero ASTM 500 Caucho Acero Acero Acero Acero ASTM 500. Cantidad 1 2 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1.

(69) IM-2004-II-11. 57. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: PLANO DE ENSAMBLE – LISTA DE PIEZAS ESCALA: 1:20. MATERIAL: VARIOS. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No.. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(70) IM-2004-II-11. 58. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: MANUBRIO ESCALA: 1:15. MATERIAL: ALUMINIO. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No 1. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(71) IM-2004-II-11. 59. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: SOPORTE MANUBRIO ESCALA: 1:1.5. MATERIAL: ALUMINIO. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No 2. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(72) IM-2004-II-11. 60. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: PLATINA SUPERIOR ESCALA: 1:5. MATERIAL: ASTM 500. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No 3. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(73) IM-2004-II-11. 61. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: ADICIONAL PLATINAS ESCALA: 1:1. MATERIAL: ASTM 500. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No 3. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(74) IM-2004-II-11. 62. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: PLATINA SUPERIOR ( SOLDADA ) ESCALA: 1:5. MATERIAL: ASTM 500. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No 3. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(75) IM-2004-II-11. 63. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: PLATINA INFERIOR ESCALA: 1:5. MATERIAL: ASTM 500. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No 4. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(76) IM-2004-II-11. 64. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: PLATINA INFERIOR ( SOLDADA ) ESCALA: 1:7. MATERIAL: ASTM 500. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No 4. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(77) IM-2004-II-11. 65. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: LAMINA 2 BALLESTA ESCALA:1:2. MATERIAL: ACERO. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No 5. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(78) IM-2004-II-11. 66. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: LAMINA 1 BALLESTA ESCALA: 1:3. MATERIAL: ACERO. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No 6. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(79) IM-2004-II-11. 67. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: PLATINA SUJECION BALLESTA ESCALA: 1: 1. MATERIAL: ASTM 500. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No 7. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(80) IM-2004-II-11. 68. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: TUBOS 1 ESCALA:. MATERIAL: ASTM 500. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No 8. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(81) IM-2004-II-11. 69. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: ARTICULACION ESCALA: 1: 10. MATERIAL: ASTM 500. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No 9. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(82) IM-2004-II-11. 70. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: PLATINAS LATERALES ESCALA: 1:1.5. MATERIAL: ASTM 500. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(83) IM-2004-II-11. 71. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: TUBO 2 ESCALA: 1:5. MATERIAL: ASTM 500. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(84) IM-2004-II-11. 72. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: TUBO 2 ( SOLDADO ) ESCALA: 1:5. MATERIAL: ASTM 500. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(85) IM-2004-II-11. 73. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: BUJE BALLESTA ESCALA: 1:1. MATERIAL: BRONCE. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(86) IM-2004-II-11. 74. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: PASADOR BALLESTA ESCALA: 1:1. MATERIAL: ASTM 500. TOLERANCIA GENERAL: +-. PIEZA No. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

(87) IM-2004-II-11. 75. PROYECTO: DISENO DE SISTEMA DE. ASESOR: ING. JUAN. DIBUJÓ: ALEJANDRO CEPEDA B.. CODIGO: 199921817. TITULO: CONJUNTO LLANTA-RIN ESCALA: 1:8. VOLKSWAGEN. MATERIAL: ASTM 500. TOLERANCIA GENERAL: +-. ESCARABAJO. PIEZA No. FECHA: 11 DE ENERO DE. UNIDADES:.

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