UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE
SUSPENSIÓN EN UN REMOLQUE DE SIETE TONELADAS
PARA EL MINI BULLDOZER A ORUGA
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
JOFFRE JOSÉ BERRONES MOLINA
Director: ING. EDWIN TAMAYO AVALOS, MSc.
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1721322665
APELLIDO Y NOMBRES: Berrones molina Joffre José
DIRECCIÓN: San Pablo de Turubamba
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 2695365
TELÉFONO MOVIL: 0998194742
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA
DE SUSPENSIÓN EN UN REMOLQUE DE SIETE TONELADAS PARA EL MINI
BULLDOZER A ORUGA
AUTOR: Berrones Molina Joffre José
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Quito, noviembre 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
ING. EDWIN TAMAYO, MSc.
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ
RESUMEN: El propósito principal del proyecto fue
diseñar e implementar un sistema de suspensión para un remolque, este sistema tendrá una capacidad de carga de siete toneladas para transportar un mini-bulldozer, el diseño acatará las especificaciones técnicas en pesos y dimensiones que dictamina el Acuerdo Ministerial 018-2016 del Ministerio de Transporte y Obras Públicas. Además, este proyecto tuvo como finalidad comparar el funcionamiento de tres tipos de suspensiones como: la suspensión mecánica, neumática e hidráulica vigentes en el mercado nacional, como primer punto se recopiló información acerca del funcionamiento, partes, montaje, entre otras y posteriormente se realizó la
comparación de los tres sistemas de suspensión por ende, se determinó el sistema de suspensión idóneo que fue implementado. Se destacó la información acerca de la suspensión mecánica por muelles parabólicos u hojas de ballestas por sus bajos costos, fácil adquisición y un montaje no tan demoroso, para esto se planteó ecuaciones de diseño mecánico para realizar un proceso de cálculos necesarios que determinó con efectividad las dimensiones de los elementos que conformó el sistema de suspensión mecánica por hojas ballestas, en el proceso de cálculos se detalló el análisis de las cargas vivas y cargas muertas a las que estuvo sometido el sistema de suspensión, el cálculo del número de hojas de ballesta dio como resultado que para soportar siete toneladas se necesita 4 paquetes de hojas de ballesta cada uno conformado de 5 hojas de ballesta que tendrán una dimensión de: longitud de 1100 mm, ancho de 100 mm y un espesor de 10 mm, una resistencia permisible de 120 Kp/mm2 y un factor de
seguridad de 1,5. Se calculó las dimensiones el eje fabricado de acero ASTM 53 que dio como resultado: una longitud de 2400 mm, diámetro exterior de 90 mm, diámetro interior de 76,2 mm, una resistencia mecánica de 42,2 kg/mm2 y un factor de seguridad de
pruebas de funcionamiento bajo carga que confirmo el correcto funcionamiento del sistema de suspensión del remolque que tendrá una capacidad de siete toneladas.
PALABRAS CLAVES: Suspensión, Remolque, Neumático,
Eje, Mini-bulldozer.
ABSTRACT: The main purpose of the project was to
and a thickness of 10 mm, a permissible strength of 120 Kp / mm2 and a safety factor of 1.5. The dimensions were calculated from the ASTM 53 steel shaft which resulted in a length of 2400 mm, outside diameter of 90 mm, inside diameter of 76.2 mm, a mechanical strength of 42.2 kg / mm2 and a factor of 1.02 security. The dimensions of the leaf spring plates were calculated resulting in 120 mm long, 100 mm wide and 6 mm thick made of steel A-36, hot rolled with a tensile strength of 399.89 MPa, with a safety factor 1.9. A simulation program was used to analyze the material stresses and the safety factor of each element of the suspension system, verifying if the dimensions, thicknesses and diameters are within the range of a safe design that would be greater than or equal to one (n ≥1) and to finish it was performed under load tests that confirmed the correct operation of the trailer suspension system that will have a capacity of seven tons.
KEYWORDS Suspension, Trailer, Tire, Axle,
Mini-bulldozer.
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, BERRONES MOLINA JOFFRE JOSE, CI. 1721322665 autor del proyecto titulado: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN EN UN REMOLQUE DE
SIETE TONELADAS PARA MINI BULLDOZER A ORUGA, previo a la obtención del título de
INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
DECLARACIÓN
Yo, BERRONES MOLINA JOFFRE JOSE, declaro que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún
grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e implementación
del sistema de suspensión en un remolque de siete toneladas para mini
bulldozer a oruga” que, para aspirar al título de INGENIERO AUTOMOTRIZ
fue desarrollado por BERRONES MOLINA JOFFRE JOSÉ, bajo mi dirección
y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y
cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de
DEDICATORIA
Este trabajo dedico primeramente a DIOS por haberme dado vida, salud y bendiciones en el transcurso de mi proceso de titulación realizado a base de mucho esfuerzo, sacrificio y constancia, por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi carrera, por ser mi fortaleza en los momentos de debilidad y por llenar de alegría mi corazón las veces que la soledad y la desesperación se apoderaba de mí ser.
A MIS PADRES JOSÉ BERRONES Y GLADYS MOLINA, por apoyarme en todo momento siendo mis pilares de apoyo en todo el momento de mi existencia, por los valores que me han inculcado a ser respetuoso, honesto y perseverante, por haberme dado la oportunidad de tener una excelente educación en el transcurso de mi vida, por las enseñanzas que me guiaron al camino del bien y sobre todo por ser un ejemplo de vida a seguir.
AGRADECIMIENTO
Primeramente expreso mi sincero agradecimiento a mis padres JOSÉ BERRONES Y GLADYS MOLINA, por ser la fortaleza principal de mi vida, quienes me han apoyado en la toma de mis decisiones de la mejor manera a lo largo de mi carrera y de mi vida.
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RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 3
2. METODOLOGÍA 19
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 21
3.1. ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y DISEÑO DEL SISTEMA DE
SUSPENSIÓN 21
3.1.1. DISEÑO DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN 22
3.2. SELECCIÓN DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN 24
3.2.1. DISEÑO DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN DE MULLES
PARABÓLICAS U HOJAS BALLESTAS 26
3.2.2. SIMULACIÓN DE LAS HOJAS DE BALLESTA 28
3.3. SELECCIÓN DE NEUMÁTICOS 29
3.3.1. CÁLCULO DE LA LONGITUD DE LA RAMPA DEL
REMOQUE 31
3.4. SELECCIÓN DE EJES 32
3.4.1. SIMULACIÓN DE EJE 34
3.5. PLACA PORTA BALLESTAS 35
3.5.1. SIMULACIÓN DE LAS PLACAS PORTA BALLESTAS 39 3.6. SELECCIÓN DE LOS PASADORES DE LAS HOJAS DE
BALLESTA 40
3.6.1. SIMULACIÓN DEL PASADOR. 42
3.7. PROCESO DE MONTAJE DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN 43 3.7.1. CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DE LAS PLACAS PORTA
BALLESTAS 43
3.7.1.1. Proceso de trazado 43
3.7.1.2. Proceso de corte. 44
3.7.1.3. Proceso de soldadura 45
3.7.2. MONTAJE DE LOS MUELLES HELICOIDALES U HOJAS
DE BALLESTA 45
3.7.3. MONTAJE DEL EJE EN EL SISTEMA DE SUSPENSIÓN 46
3.7.3.1. Proceso de trazado del eje 46
3.7.3.2. Proceso de corte 46
3.7.3.3. Proceso de soldadura 47
3.7.3.4. Proceso de pintura 48
3.7.3.6. Montaje de los neumáticos 49 3.7.3.7. Montaje de los colgantes en el sistema de suspensión 50 3.7.4. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE
SUSPENSIÓN 51
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 53
4.1. CONCLUSIONES 53
4.2. RECOMENDACIONES 54
5. BIBLIOGRAFÍA 55
ÍNDICE DE TABLAS
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Tabla 1. Tabla nacional de pesos y dimensiones 21
Tabla 2. Alternativas de sistemas de suspensión 24
Tabla 3. Criterios de valoración. 26
Tabla 4. Conclusiones del método de evaluación. 26
Tabla 5. Cálculo del número de hojas de ballesta 27
Tabla 6. Radio de curvatura de las hojas de ballesta. 29
Tabla 7. Dimensiones de neumáticos para remolques 30
Tabla 8. Longitud de las rampas del remolque 31
Tabla 9. Cálculo y Selección de ejes 33
Tabla 10. Cálculos del esfuerzo de las placas porta ballestas 36
Tabla 11. Propiedades del Acero A-36 37
Tabla 12. Factor de modificación de la condición superficial 37
Tabla 13. Cálculo del factor de esfuerzos varios. 38
ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1. Remolque 4
Figura 2. Sistema de suspensión 4
Figura 3. Elementos del Sistema de Suspensión de ballestas 5
Figura 4. Esfuerzos de flexión en la ballesta 6
Figura 5. Sección transversal de las ballestas 6
Figura 6. Placa porta ballestas 7
Figura 7. Soldadura efectos de cargas de tensión 8
Figura 8. Suspensión neumática 9
Figura 9. Fuelles neumáticos 9
Figura 10. Suspensión hidroneumática 10
Figura 11. Partes del sistema de suspensión hidroneumática 11
Figura 12. Rueda y Neumáticos 11
Figura 13. Cubierta y cámara de los neumáticos 12
Figura 14. Nomenclaturas del neumático 12
Figura 15. Identificación del neumático. 13
Figura 16. Diagrama de cuerpo libre del eje 15
Figura 17. Dimensiones del mini bulldozer 21
Figura 18. Mini bulldozer en el remolque 22
Figura 19. Cargas en el sistema de suspensión 22
Figura 20. Cargas vivas y cargas muertas en el remolque 23
Figura 21. Distribución de cargas en el remolque 23
Figura 22. Ballestas sometida a cargas 27
Figura 23. Simulación de las hojas de ballesta 28
Figura 24. Factor de seguridad de las hojas de ballesta 28
Figura 25. Radio de los muelles helicoidales 29
Figura 26. Sistema de suspensión por ballestas 30
Figura 27. Ángulo de inclinación de la rampa 31
Figura 28. Cargas que soporta el eje 32
Figura 29. Diagrama de fuerza cortante 32
Figura 30. Diagrama de momento flector del eje 33
Figura 31. Simulación del eje 34
Figura 32. Factor de seguridad 34
Figura 33. Placa porta ballestas 35
Figura 34. Cargas en la placa porta ballestas. 35
Figura 35. Placa porta ballesta a compresión 36
Figura 36. Concentración de esfuerzos en la placa porta ballestas. 38
Figura 37. Simulación de la placa porta ballestas 39
Figura 38. Factor de seguridad de la placa porta ballestas 40
Figura 39. Pasador de las hojas de ballesta 40
Figura 41. Diagramas de fuerza cortante y momento flector del pasador 41
Figura 42. Esfuerzos y deformaciones del pasador 42
Figura 43. Factor de seguridad del pasador 43
Figura 44. Proceso de trazado 44
Figura 45. Proceso de trazado y perforación 44
Figura 46. Proceso de corte 45
Figura 47. Proceso de soldadura 45
Figura 48. Pasadores 46
Figura 49. Proceso de trazado del eje 46
Figura 50. Proceso de corte del eje 47
Figura 51. Proceso de soldadura 47
Figura 52. Eliminación de escoria del proceso de soldadura 48
Figura 53. Proceso de pintura 48
Figura 54. Proceso de sujeción entre las ballestas y el eje 49
Figura 55. Implementación de los neumáticos 49
Figura 56. Instalación de las gemelas en el sistema de suspensión 50
Figura 57. Proceso de sujeción de las gemelas de ballesta 50
Figura 58. Análisis del sistema de suspensión sin carga 51
Figura 59. Deformación de las hojas de ballesta sin carga 51
Figura 60. Pruebas del sistema de suspensión bajo cargas 52
ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1. Acuerdo ministerial 018-2c16 del Ministerio de Transporte y
Obras Públicas (MTOP) 57
Anexo 2. Catálogo de neumáticos de la Empresa Firestone 58
Anexo 3. Catálogo de neumáticos de la Empresa Bridgestone 60
Anexo 4. Catalogo técnico de muelles parabólicos 62
Anexo 5. Datos técnicos de la plancha de Acero A-36 63
Anexo 6. Datos técnicos de la tubería de Acero A-36 64
Anexo 7. Datos técnicos de los pernos de Acero G8 65
Anexo 8. Datos técnicos de los pernos de Acero Unc G8 66
Anexo 9. Datos técnicos de los pernos de Acero G8 67
Anexo 10. Datos técnicas del tubo petrolero ASTM A 53 Grb 68
Anexo 11. Catálogos De La Empresa Trading Fabricantes De
RESUMEN
El propósito principal del proyecto fue diseñar e implementar un sistema de suspensión para un remolque, este sistema tendrá una capacidad de carga de siete toneladas para transportar un mini-bulldozer, el diseño acatará las especificaciones técnicas en pesos y dimensiones que dictamina el Acuerdo Ministerial 018-2016 del Ministerio de Transporte y Obras Públicas. Además, este proyecto tuvo como finalidad comparar el funcionamiento de tres tipos de suspensiones como: la suspensión mecánica, neumática e hidráulica vigentes en el mercado nacional, como primer punto se recopiló información acerca del funcionamiento, partes, montaje, entre otras y posteriormente se realizó la comparación de los tres sistemas de suspensión, por ende se determinó el sistema de suspensión idóneo que fue implementado. Se destacó la información acerca de la suspensión mecánica por muelles parabólicos u hojas de ballestas por sus bajos costos, fácil adquisición y un montaje no tan demoroso, para esto se planteó ecuaciones de diseño mecánico para realizar un proceso de cálculos necesarios que determinó con efectividad las dimensiones de los elementos que conformó el sistema de suspensión mecánica por hojas ballestas, en el proceso de cálculos se detalló el análisis de las cargas vivas y cargas muertas a las que estuvo sometido el sistema de suspensión, el cálculo del número de hojas de ballesta dio como resultado que para soportar siete toneladas se necesita 4 paquetes de hojas de ballesta cada uno conformado de 5 hojas de ballesta que tendrán una dimensión de: longitud de 1100 mm, ancho de 100 mm y un espesor de 10 mm, una resistencia permisible de 120 Kp/mm2 y un factor de seguridad de 1,5. Se
calculó las dimensiones el eje fabricado de acero ASTM 53 que dio como resultado: una longitud de 2400 mm, diámetro exterior de 90 mm, diámetro interior de 76,2 mm, una resistencia mecánica de 42,2 kg/mm2 y un factor de
seguridad de 1,02. Se calculó las dimensiones de las placas porta ballestas que dio como resultado 120 mm de largo, 100 mm de ancho y un espesor de 6 mm fabricados de acero A-36, laminado en caliente con una resistencia a la tensión de 399,89 MPa, con un factor de seguridad 1,9. Se utilizó un programa de simulación para analizar los esfuerzos del material y el factor de seguridad de cada elemento del sistema de suspensión, verificando si las dimensiones, espesores y diámetros están dentro del rango de un diseño seguro que sería mayor o igual a uno (n≥1) y para finalizar se realizó pruebas de funcionamiento bajo carga que confirmo el correcto funcionamiento del sistema de suspensión del remolque que tendrá una capacidad de siete toneladas.
ABSTRACT
The main purpose of the project was to design and implement a suspension system for a trailer, this system will have a load capacity of seven tons to transport a mini-bulldozer, the design will comply with the technical specifications in weights and dimensions dictated by Ministerial Agreement 018 -2016 of the Ministry of Transport and Public Works. In addition, this project aimed to compare the operation of three types of suspensions such as: mechanical, pneumatic and hydraulic suspension in force in the national market, as the first point was collected information about the operation, parts, assembly, among others and later was made the comparison of the three suspension systems, therefore the ideal suspension system that was implemented was determined. The information about the mechanical suspension by parabolic springs or leaf springs was highlighted due to its low costs, easy acquisition and a not so delayed assembly, for this purpose it was proposed mechanical design equations to perform a necessary calculation process that effectively determined the dimensions of the elements that formed the system of mechanical suspension by leaf springs, in the calculation process detailed the analysis of the live loads and dead loads to which the suspension system was subjected, the calculation of the number of leaf springs gave as a result, to support seven tons, 4 packages of leaf springs are needed, each consisting of 5 leaf springs that will have a dimension of: length of 1100 mm, width of 100 mm and a thickness of 10 mm, a permissible strength of 120 Kp / mm2 and a safety factor of 1.5. The dimensions were calculated from the ASTM 53 steel shaft which resulted in a length of 2400 mm, outside diameter of 90 mm, inside diameter of 76.2 mm, a mechanical strength of 42.2 kg / mm2 and a factor of 1.02 security. The dimensions of the leaf spring plates were calculated resulting in 120 mm long, 100 mm wide and 6 mm thick made of steel A-36, hot rolled with a tensile strength of 399.89 MPa, with a safety factor 1.9. A simulation program was used to analyze the material stresses and the safety factor of each element of the suspension system, verifying if the dimensions, thicknesses and diameters are within the range of a safe design that would be greater than or equal to one (n ≥1) and to finish it was performed under load tests that confirmed the correct operation of the trailer suspension system that will have a capacity of seven tons.
1. INTRODUCCIÓN
Los sistemas de suspensión de los remolques que circulan en las diferentes carreteras ecuatorianas no cumplen un correcto diseño, poniendo en riesgo la seguridad de los usuarios debido a que las suspensiones no proporcionan estabilidad a los remolques al momento de ponerlos en funcionamiento, por otra parte no absorben las irregularidades de las vías por las que transitan dañando y estropeando la carga transportada, por ende un correcto diseño e implementación de un sistema de suspensión es un factor indispensable y crucial, ya que el sistema aparte de adsorber las irregularidades de la calzada tiene que proporcionar equilibrio al remoque para un correcto funcionamiento. Este proyecto se realiza por la necesidad de un sistema de suspensión que sea seguro y viable para implementarse en un remolque que tendrá una capacidad de carga de siete toneladas que se utilizará para el traslado de un mini-bulldozer, mismo que debe ser realizado bajo los estándares de medidas, pesos y dimensiones como lo dispone el MTOP (Ministerio de Transporte y Obras Públicas)
El objetivo principal de este proyecto es diseñar e implementar un sistema de suspensión en un remolque de siete toneladas para un mini-bulldozer a oruga, por ende para cumplir con este objetivo se plantea objetivos específicos como. Analizar los diferentes tipos de sistemas de suspensión para el remolque que trasportará al mini-bulldozer.
Determinar los parámetros que serán considerados en el diseño acorde a las necesidades.
Diseñar los diferentes elementos que conforman la suspensión para el remolque que transportará al mini-bulldozer.
Implementar el sistema de suspensión en el remolque que transportará al mini-bulldozer.
Realizar pruebas para que se verifique el funcionamiento del sistema de suspensión en el remolque que transportará al mini-bulldozer.
El remolque se lo define como “Vehículo sin motor diseñado para ser halado por un camión u otro vehículo motorizado, de tal forma que ninguna parte de su peso descanse sobre el vehículo remolcador”, en la figura 1 se observa la forma de un semi-remolque que ha sido diseñado para el transporte de vehículos livianos u otro tipo de vehículo que no supere el tonelaje establecido por el fabricante (Torres, 2012). Los remolques y semi-remolques varían de formas y de tamaños acorde a las necesidades de transporte de cargas pesadas incluyendo el número de ejes que puedan tener, por ende en el proceso de diseño de un remolque o semi remolque se analiza los elementos que se debe incorporar, estos sistemas fundamentales son: equipo rodante, chasis, plataforma, sistema de suspensión, sistema de frenos, sistema eléctrico, sistema de acople, cabrestante (Associates, 2005).
Figura 1. Remolque (Newton, 2008)
El sistema de suspensión es un conjunto de elementos elásticos que se incluyen entre los órganos suspendidos como son: bastidor, motopropulsor, carrocería carga y los órganos que no están suspendidos: las ruedas, los frenos y los puentes rígidos como se muestra en la figura 2. Entre las masas suspendidas y las no suspendidas se incluyen los muelles o resortes y los amortiguadores (Martinez, 2007). La suspensión tiene como función la de mantener en todo momento las ruedas en contacto con el suelo, mejorando la adherencia y el guiado del neumático; por lo tanto, el sistema de suspensión es el encargado de resistir el peso del vehículo y adsorber las fuerzas longitudinales, transversales y verticales que se originan durante la marcha, contribuyendo en la estabilidad (Gómez, 2006).
En el mercado ecuatoriano se dispone de varios sistemas de suspensión tales y como son sistema de suspensión de muelles u hojas de ballestas, sistema de suspensión neumático y sistema de suspensión hidroneumático, estos sistemas se adaptan a cualquier mecanismo que necesite suspensión y en el este caso de un remolque puede estar equipado ya sea con muelles o con suspensión de bolsas de aire” (Associates, 2005).
La suspensión de muelles parabólicos o Ballestas cuenta con un comportamiento elástico y disipativos al mismo tiempo, y por tanto tiene un resultado dinámico que se define como vibratorio amortiguado, este sistema cuenta con elementos elásticos que acumulan energía e idealmente la devuelve de forma íntegra, y disipativos que amortiguan las irregularidades de la calzada. (Rodríguez P. , 2004). El sistema de suspensión de muelles parabólicos u hojas de ballesta está formado por un conjunto de láminas de acero parabólicas, mismas que tienen distintos radios de curvatura y se unen unas contra otras mediante el perno guía o capuchino y por esta razón se obtiene una carga uniforme sobre las diferentes hojas de la ballesta. La hoja de mayor longitud se llama hoja maestra y cumple la función de guía de los muelles parabólicos u hojas de ballestas, así como de los ejes. La hojas de ballesta cuentan con un elemento de sujeción adicional llamada abrazaderas, las cuales mantienen unidas las hojas de ballesta (Werner, 1980). El sistema de suspensión de muelles parabólicas como se muestra en la figura 3 está conformado de: 1. Cuerpo de eje trasero 2. Amortiguador 3.ballesta 4.soporte de ballesta con compensación longitudinal 5. Chapa guía 6. Brida en U 7. Tope de goma 8. Amortiguador 9. Amortiguador (González T. , 2011).
Las ballestas soportan predominantes esfuerzos de flexión (a) y esfuerzos a tracción (b) producto de las cargas que recae en el sistema de suspensión como se observa en la figura 4, el acero en que son fabricadas las ballesta cuenta con una resistencia a la flexión permisible (σ = sigma) que va aproximadamente de 50 a 80 kp/mm2 que transformado a kilogramos da un
valor de 50 a 80 kg/mm2 (Werner, 1980). Las hojas ballestas o muelles
parabólicos se fabrican acatando las normas DIN 17221 y DIN 17222, por lo cual las láminas de acero DIN 17222 tienen un límite elástico de 1000 MPa que transformado a kilogramos-fuerza se obtiene un valor de 101.97 kg/mm2
y las láminas de acero DIN 17221 que tienen un límite elástico de 120 kg/mm2
(Bosch R. , 2005).
Figura 4. Esfuerzos de flexión en la ballesta (Werner, 1980)
Para el proceso de cálculos donde se determinará las dimensiones de las hojas de ballestas, estas se dividen en tres partes por efecto del perno capuchino que bloquea las hojas de ballesta creando dos extremos que se encuentran empotrados en el chasis y una central unida al aje mediante abrazaderas, por ende para mayor facilidad en el proceso de cálculo se analizará el extremo derecho como se observa en la figura 5 (Rodríguez P. , 2004).
El número de las hojas de ballestas (n) se calculará mediante la ecuación [1], donde se ingresa valores provenientes de la fuerza máxima (F), que soportará los extremos de las hojas de ballesta y las dimensiones de un número determinado de hojas de ballesta (Werner, 1980).
F =
n∗b∗h2.σ6l [1]
(Werner, 1980)
Donde:
n: Número de hojas de ballesta
b: Ancho de las hojas de ballesta (mm) h: Espesor de la hoja de ballesta (mm) l: Longitud de la hoja de ballesta (mm) F: Carga en las hojas de ballestas (kg)
σ: Resistencia a la flexión permisible (Kp/mm2)
La unión del sistema de suspensión por muelles parabólicos u hojas de ballesta al chasis se realiza en la hoja superior denominada hoja maestra, la cual presenta en cada uno de sus extremos un alojamiento (ojo) destinado a alojar a los bulones de articulación con la masa suspendida, dado que no pueden ser soldadas de forma rígida al vehículo, por la deformación elástica existente en la conducta normal de las hojas de ballesta, es necesario instalar en uno de sus extremos una pieza denominada gemela, constituida por dos bieletas unidas entre sí por dos bulones que hacen de articulación como se muestra en la figura 6. (Rodríguez P. , 2004)
Figura 6. Placa porta ballestas (González T. , 2011)
Figura 7. Soldadura efectos de cargas de tensión (Nisbett, 2008)
σ =F
A [3]
(Nisbett, 2008)
Donde:
σ= esfuerzo normal (MPa) F= cargas a tención (kg.f)
A= Área de la garganta de la soldadura
El esfuerzo normal es un esfuerzo interno producto de una carga a tención o a compresión en la sección transversal de un elemento mecánico en análisis, donde el área de la soldadura está dada por la garganta de la soldadura (h) y de la longitud de la soldadura (l) como se observa en la figura anterior, por ende conocer el proceso de cálculo el esfuerzo normal se tomará valores tentativos como una fuerza de 25 kg que recae sobre un área unida con un proceso de soldadura, la cual tiene una área de soldadura (h.l), donde la garganta de la soldadura (h) será de 10 mm y la longitud del cordón de soldadura (l) de 100 mm, dando como resultado un esfuerzo normal de 25 KPa y mediante este proceso se calcula el esfuerzo normal de un elemento mecánico unido soldadura (Nisbett, 2008).
Figura 8. Suspensión neumática (González T. , 2011)
Es sistema de suspensión neumático suplanta los muelles, ballestas o barras de torsión, por unos cojinetes de aire en cada rueda, estos adsorben los movimientos verticales de las mismas, efectuando en ellos una amortiguación debido a la variación de volumen y presión del aire del cojín (Pérez, 2010). El principio de funcionamiento se basa cuando una rueda asciende o desciende debido a la desigualdad de la calzada, el resorte se comprime comportándose como un fuelle así como se observa en la figura 9, la diferencia de volumen crea una variación de presión en el interior del resorte que le obliga a recuperar su posición inicial de pasar la irregularidad de la vía, resultando un efecto de cojín elástico, la capacidad de carga F de un muelle neumático viene definida por la superficie eficaz S y la presión en el muelle P como se observa en la ecuación [4] (González T. , 2011)
F = P. S [4]
(González T. , 2011)
Dónde:
F: Capacidad de carga (lb) P: Presión en el muelle (lb/in2)
S: Superficie eficaz (in2)
Para determinar el tipo de fuelle neumático se procede a seleccionar diferentes modelos que expresen superficie eficaz de un fuelle neumático, por consiguiente se procede a determinar las cargas que soportará el sistema, esta puede ser el peso del vehículo o de estructuras en las que se encuentran instaladas los sistemas de suspensión neumáticas y como resultado final se obtiene diferentes presiones, que serán utilizadas en la selección de fulles neumáticos en los catálogos que proporcionan los fabricantes, por ende el proceso de cálculos de un fuelle neumático queda definido en la fórmula (P=F/S), en el cual se ingresará valores tentativos donde la presión del fuelle es igual a una fuerza de 50 newton sobre la superficie eficaz de 1 cm2, dando
como resultado una presión de 50 KPa y mediante este valor se selecciona el fuelle neumático.
La tercera alternativa es la suspensión hidroneumática convencional, en donde se unen los elementos hidráulicos y neumáticos que brindan la amortiguación y elasticidad necesarias. En cada una de las ruedas va acoplada a un brazo oscilante, al que se une el pistón por medio de un vástago, de modo que se deslice de arriba hacia abajo en el interior del cilindro, misma que en su parte superior termina en una esfera metálica fraccionada por una membrana, por arriba existe una masa constante de gas de nitrógeno comprimido y, por abajo, un líquido viscoso, generalmente aceite especial, que llena el cilindro como se observa en la figura 10 (Alonso, 2000).
En el sistema de suspensión hidroneumático el elemento elástico es el gas a presión encerrado en la cámara superior de la esfera metálica como se muestra en la figura 11, por ende el comportamiento del dispositivo es muy semejante al de las suspensiones neumáticas, por lo cual se utilizará la ecuación [4], donde se calculara el área de la cámara y la presión de los elementos que conforman el sistema hidroneumático (Rodríguez P. , 2004)
Figura 11. Partes del sistema de suspensión hidroneumática (Pérez, 2010)
Para complementar la amortiguación del sistema de suspensión se implementara ruedas y neumáticos en los extremos de los ejes, las ruedas como se muestra en la figura 12, constituyen el punto de apoyo del remolque sobre el suelo, su trabajo es soportar el peso de la estructura y su carga, así como adsorber los golpes de la suspensión producidos en la marcha, particularmente en terreno accidentado (Pérez, 2010).
Figura 12. Rueda y Neumáticos (Pérez, 2010)
Figura 13. Cubierta y cámara de los neumáticos (González T. , 2011)
La características y dimensiones de los neumáticos vienen definidos desde la fábrica y están acorde a las necesidades de uso, por ende en la figura 14, se expresa las nomenclaturas de un neumático para turismos donde: 1 Marca comercial, 2 Ancho del neumático, 3 Relación altura/anchura, 4 Tipo de construcción, 5 Tamaño de llanta, 6 Índice de carga, 7 Índice de velocidad, 8 País productor, 9 Homologación DOT, 10 Semana y año de producción, 11 Homologación ECE, 12 Tread wear, tracción y temperatura, 13 Tipo de estructura radial y especificaciones básicas, 14 Máxima carga y presión, 15 Composición de la estructura, 16 Posición de los indicadores de desgaste, 17 Mud+Snow. Preparado para invierno, 18 Montaje sin cámara de aire, 19 Estructura reforzada (Rodríguez P. , 2004).
Figura 14. Nomenclaturas del neumático (González T. , 2011)
vehículos de motor y de sus remolques así como de su montaje: N.30 Neumáticos, N. 54 Neumáticos para vehículos industriales y N.109 Neumáticos recauchados para vehículos comerciales. (Rodríguez P. , 2004) Para la clasificación e identificación de los neumáticos se usará una codificación alfanumérica, afirmando la intercambiabilidad de los mismos con independencia del fabricante y por ende los parámetros dimensionales utilizados para designar el neumático se determina mediante la ecuación [5] (Rodríguez P. , 2004). Para realizar la clasificación e identificación de los neumáticos, se utilizará como ejemplo un neumático para vehículos industriales y remolques, por lo cual la identificación de neumático es 14/80 R 20, donde 14 anchura de la sección nominal en pulgadas (SW), 80 es la relación altura-anchura dando como resultado 11,2 pulgadas de altura (H), R expresa que es un neumático radial y 20 es el diámetro nominal de la llanta en pulgadas (D) y como diámetro exterior del neumático (OD) da un valor de 42,4 pulgadas, por consiguiente la identificación del neumático se observa en la figura 15 (Bosch R. , 2005).
Figura 15. Identificación del neumático. (González T. , 2011)
Ra = D .𝑂𝐷
𝑆𝑊 [5]
(Rodríguez P. , 2004)
Donde:
Ra: Relación nominal (mm)
OD: Dimensiones del neumático (mm)
SW: Anchura nominal de la sección en (mm) D: Diámetro nominal de la llanta (mm)
de 235 mm, donde como resultado una relación nominal de 1617 mm (Rodríguez P. , 2004).
Los tres parámetros anteriores sirven para caracterizar dimensionalmente el neumático y se muestran en el orden en que se han descrito, es decir: SW, Ra, D, la relación entre la anchura de sección y el ancho nominal de sección se representa en la ecuación [6] (Rodríguez P. , 2004).
S = SW + K(all− alt) [6]
(Rodríguez P. , 2004)
Donde:
S: Anchura de sección (mm)
SW: Anchura nominal de sección (mm)
all: Anchura de la llanta de la llanta expresada (mm)
alt: Es la anchura de la llanta teórica en mm.
K: es una constante de valor 0,4
Para demostrar el proceso de cálculos se usará valores tentativos donde la anchura de sección es igual a la anchura nominal de sección será de 243 mm más la constante k de 0,4 que multiplica a la anchura de la llanta de 243 mm menos la anchura teórica de 230 mm y como resultado da un valor de 248,2 mm, por ende este valor es la anchura se sección (Rodríguez P. , 2004). En el sistema de suspensión para brindar un punto de apoyo a las ruedas y neumáticos es necesario un eje, el cual es un elemento no giratorio que no transmite par de torsión que se utiliza para soportar ruedas rotatorias, poleas y elementos parecidos, un eje no rotatorio se diseña con facilidad y se analiza como una viga estática (Nisbett, 2008). Los Tipos de ejes son: eje retráctil cuya línea de rotación transmite parte de la carga del vehículo a la superficie de la vía o aislarse de ella mediante dispositivos hidráulicos, neumáticos o mecánicos. Eje simple es el ensamble de dos o cuatro llantas unidas entre sí por una línea de rotación. Eje “tandem” (eje doble) conformado por dos líneas de rotación, dotado de una suspensión que permite la compensación de cargas. (Ramìres, 2009). Los materiales en que se fabrican los ejes soportan deflexión la cual no se ve afectada por la resistencia si no por la rigidez, simbolizada por el módulo de elasticidad, que es fundamentalmente constante en todos los aceros. Por lo cual, la rigidez no se manipula mediante decisiones sobre el material, sino por decisiones geométricas, por lo cual la mayoría de ejes son fabricados de acero de bajo carbono, acero estirado en frio o en acero laminado en caliente y por ende el tipo de material utilizado en la fabricación de ejes son los aceros ANSI 1020 – 1050 (Nisbett, 2008).
Figura 16. Diagrama de cuerpo libre del eje (Nisbett, 2008)
Las cargas que producen deformaciones en un elemento estructural, son calculadas mediante la segunda ley de newton, ya que la variación de velocidad de un cuerpo en la unidad de tiempo es la aceleración; así, al aplicar una fuerza desequilibrada sobre dicho cuerpo produce una aceleración y para determinar la fuerza se utilizará la ecuación [7] (Hernandez, 2007).
∑ F = m. a [7]
(Hernandez, 2007)
Donde:
F: Fuerza (Newton) m: masa (gr)
a: Aceleración (m/s2)
Para confirmar si el diseño del eje está dentro del rango de seguridad, se determinará los esfuerzos flexionantes, dependiendo cómo se aplique la carga externa al cuerpo bajo estudio. En el caso del eje soporta cargas flexionantes, las cuales recaen en cada extremo del eje generadas por las abrazaderas de las hojas de ballesta y por las reacciones que genera los neumáticos, por ende para determinar el esfuerzo flexionante se utilizará la ecuación [8] (Nisbett, 2008).
σ
max=
M. c
I
[
8]
(Nisbett, 2008)
Donde:
σmax: Esfuerzo máximo a flexión (MPa)
c: Distancia del eje centroidal de la viga a las fibras externas. (m) I: Momento de inercia de la sección transversal (m4)
M: Momento máximo (kg.m)
En la selección de los elementos que conforman el sistema de suspensión como son las placas porta ballestas, es necesario realizar un análisis de esfuerzos uniformemente distribuidos, por ende las placas estarán sometidas
y
F1
F2
R2
R1
x
a cargas de compresión pura dependiendo de cómo se aplique la carga externa el cuerpo bajo estudio, por ello para determinar el esfuerzo uniformemente distribuido se calcula utilizando la ecuación [9] (Nisbett, 2008).
σ =
F
A
[
9]
(Nisbett, 2008)
Donde:
σ: Esfuerzo a compresión (MPa) F: fuerza a tracción o compresión (kg) A: Área en análisis (m2)
El análisis de fallas por fatiga confirmará si las medidas material está acorde al diseño, por ende se recopilara información del tipo de los aceros de catálogos de las empresas fabricantes de acero, mismos que proporcionan el valor de la resistencia a la tención (Sut) y el límite de resistencia a la fatiga (Se)
(Nisbett, 2008).
S′e = 0.5 Sut Donde Sut≤ 200 kpsi (1400 MPa)
(Nisbett, 2008)
Donde:
𝑆′𝑒: Límite de resistencia a la fatiga (MPa) 𝑆𝑢𝑡: Resistencia a la tensión (MPa)
Una vez calculado el límite de resistencia a la fatiga se prosigue a calcular e identificar los factores que cambian el límite de resistencia a la fatiga. Marín identifico factores que cuantifican los efectos de la condición superficial, el tamaño, la carga, la temperatura mediante la ecuación [10] (Nisbett, 2008).
Se = Se´. ka. kb. kc. kd. ke. kf [10]
(Nisbett, 2008)
Donde:
Se: Límite de resistencia a la fatiga (MPa)
Se´: Límite de resistencia a la fatiga en viga rotatoria (MPa)
Ka: Factor de modificación de la condición superficial depende del diámetro o espesor del material, por ende se utilizará la ecuación [11] (Nisbett, 2008).
ka = a. Sutb [11]
(Nisbett, 2008)
Kb: Factor de modificación del tamaño, que para carga axial no hay efecto de tamaño por tanto es 1 (Nisbett, 2008).
ke = 1 − 0,08 𝑍𝑎 [12]
(Nisbett, 2008)
Kf: factor de efectos varios, en este proceso de cálculo se sustituye los valores provenientes del esfuerzo nominal en donde se considera la perforación de la placa y del esfuerzo máximo de las dimensiones del material en la ecuación [13], dando como resultado el factor de efectos varios(Nisbett, 2008).
kf = σ0
σmàx [13]
(Nisbett, 2008)
Donde:
σo= Esfuerzo nominal (MPa)
σmàx= Esfuerzo máximo (MPa)
kf= Factor de efectos varios
Para complementar el proceso de cálculo del eje y de las placas porta ballestas se confirmara la seguridad del diseño mediante un análisis del factor de seguridad (n), que dará como resultado si el material seleccionado soportará las cargas de diseño, ya que si el factor de seguridad da un valor menor a 1 el material seleccionado tendrá a deformarse y llegar a la ruptura, mientras que si el factor de seguridad es mayor a 1 el material seleccionado será el adecuado para el diseño. El factor de seguridad tiene la misma definición que el factor de diseño, pero por lo general difiere en su valor numérico para lo cual se aplica la ecuación [14] (Nisbett, 2008).
n = se
σmax [14]
(Nisbett, 2008)
Donde:
n: Factor de seguridad.
𝑠𝑒: Resistencia del material (MPa) 𝜎𝑚𝑎𝑥: Esfuerzo máximo (MPa)
rotación. Si el plano en que actúan las fuerzas es que el plano XY, las ecuaciones de equilibrio se expresan en la ecuación [15], en la cual se procede a hacer sumatorias de fuerzas en el plano XY para determinarlas cargas a las que estará sometido el sistema de suspensión y en caso de existir cargas a cierta distancias se realizará una sumatoria de momentos en el eje z (Abril, 2002).
∑ FX = 0 , ∑ FY = 0 , ∑ MZ= 0 [15]
(Nisbett, 2008)
Donde:
Σ = Sumatoria de varios sumandos
∑ FX = 0 = Sumatoria de fuerzas en el eje X ∑ FY = 0 = Sumatoria de fuerzas en el eje Y ∑ MZ= 0= Sumatoria de fuerzas en el eje Z
Para determinar longitudes existentes en las uniones de elementos mecánicos se utilizará las funciones trigonométricas que se definen como cociente entre dos lados de un triángulo rectángulo, las longitudes serán determinadas mediante el uso de las principales funciones trigonométricas de un ángulo, como es la función seno en la ecuación [16], donde el cateto opuesto es dividido por la hipotenusa (Steiner, 2003).
sin 𝛼 =𝐶𝑂
𝐻 [16]
(Steiner, 2003)
Donde:
sin 𝛼= Seno de un ángulo de triangulo rectángulo CO= Cateto opuesto (mm)
2. METODOLOGÍA
La metodología que se aplico fue el método experimental donde se recopiló información acerca del funcionamiento de tres sistemas de suspensión vigentes en el mercado nacional los cuales son: sistema de suspensión mecánica por ballestas, sistema de suspensión neumática y sistema de suspensión hidroneumática y por consiguiente establecer la diferencias que existe entre los sistemas cumpliendo con los objetivos propuestos en el presente proyecto y para esto se identificó los parámetros de diseño en entre los cuales intervienen la disponibilidad, costo, factibilidad y montaje, así como también implantar técnicas de adaptación del sistema de suspensión en la estructura del remolque.
Al realizar el estudio de funcionalidad, factibilidad, accesibilidad, viabilidad y seguridad, ejecutado en los tres sistemas de suspensión vigentes en el mercado ecuatoriano, se identificó y definió el sistema de suspensión más favorable e idónea que tendrá la capacidad de soportar la carga máxima de siete toneladas, por ende el sistema seleccionado tiene que cumplir con determinados requerimientos y funciones para ser implementado en el remolque de transporte de cargas pesadas, por lo cual la presente selección se realizó con un previo estudio de la parte de funcionalidad, evaluando cada tipo de sistema de suspensión.
Una vez establecidos los parámetros de diseño y funcionamiento se prosiguió a realizar el pleno diseño del sistema de suspensión, el cual designo que tipo elementos conformaran la suspensión del remolque mediante los datos obtenidos con el proceso de cálculos y la comparación de la información que brindan los fabricantes de ballestas, ejes y neumáticos, para posteriormente proceder con la selección de los elementos que han de conformar el sistema de suspensión mecánica por muelles o ballestas, logrando así que los elementos se acoplen adecuadamente a la estructura del remolque, realizando una amortiguación que cumpla con las normas de seguridad en transporte de carga pesada de manera eficaz, eficiente y segura.
Se realizó el diseño y simulación de los elementos que conforman el sistema de suspensión utilizando un paquete informático de diseño o software CAD donde se realizó un modelo mecánico en 3D, en el cual se observó el funcionamiento del sistema de suspensión mediante la simulación del sistema bajo carga, logrando así determinar los esfuerzos, deformaciones y el factor de seguridad del material.
Finalmente se implementó el sistema de suspensión mecánica que tendrá una capacidad de carga de siete toneladas, para esto se llevó a cabo varios procesos tales como, identificación, comparación, selección y adaptación de los elementos que conforman el sistema de suspensión mediante los valores obtenidos en el proceso de cálculos que se realizó para obtener las dimensiones de cada elemento que será parte del sistema.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y DISEÑO DEL SISTEMA DE
SUSPENSIÓN
El proyecto de diseño e implementación de un sistema de suspensión para un remolque que tenga una capacidad de siete toneladas se guiará en el Acuerdo Ministerial 018-2016 del Ministerio de Transporte y Obras Públicas, la cual regula las dimensiones y pesos de los remolques que circulan en las carreteras ecuatorianas. El sistema de suspensión a implementarse debe soportar un peso máximo de siete toneladas que transformado a kilogramos da una carga de 7000 kg que en este caso será la carga viva, la misma que será representada o analizada en el espacio a ocupar el mini-bulldozer en el remolque, ya que el presente proyecto está enfocado al trasporte de esta maquinaria pesada se recopiló dimensiones las cuales son: 2.70 m de largo, 1.60 m de ancho , 1.80 m de alto como se observa en la figura 17, y un peso de 3.100 kg como se detalla en el anexo 11.
Figura 17. Dimensiones del mini-bulldozer
El Acuerdo Ministerial da a conocer las tablas de pesos y dimensiones de vehículos de carga pesada, remolques y semirremolques como se detalla en el anexo 1, donde indica la distribución máxima de carga por eje y las dimensiones de los remolques, mismas que deben ser acatadas por los diseñadores, por tanto se tomará los datos técnicos de los remoques tipo B1, B2 y B3 como se observa en la tabla 1.
Tabla 1. Tabla nacional de pesos y dimensiones
2700
El sistema de suspensión a implementarse en el remolque será determinado mediante una selección de alternativas, el cual acatará las medidas de construcción establecidas en las tablas de pesos y dimensiones ya mencionados, por lo cual las dimensiones, el número de ejes y el tipo de suspensión se adaptaran al tamaño del mini-bulldozer como se muestra en la figura 18, por lo tanto se tomará las dimensiones de la plataforma del remolque quedan definidas de la siguiente forma: longitud total de 4 metros, donde se destina 1 metro para el sistema de enganche del remolque, un espacio de 3 metros donde se alojara el remolque que ocupara un espacio de 2.60 metros, el cual por motivos de equilibrio se ubicara en el centro de la plataforma del remolque y por ordenanza del Acuerdo Ministerial, ya que un remolque debe ser balanceado, por tal motivo los ejes deben ubicarse en el centro del remolque.
Figura 18. Mini-bulldozer en el remolque
3.1.1. DISEÑO DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN
El sistema de suspensión constara de un conjunto de elementos elásticos instalados a cada extremo del eje del remolque así como se observa en la figura 19. Por ende la carga de 7000 kg se dividirá en dos cargas iguales de 3500 kg, estos valores se usara para el análisis de cargas y por ende obtener las dimensiones del sistema de suspensión mediante un proceso de cálculo.
Figura 19. Cargas en el sistema de suspensión
2600 mm
200 mm 200 mm
1000 mm
7000 kg
Una vez determinado los valores de las reacciones que se generan en el sistema de suspensión debido a la carga máxima, se procede a tomar en cuenta la carga muerta de la estructura del remolque y para esto se tomará un valor tentativo de un peso estimado de 500 kg y por ende se realizará el cálculo de las nuevas cargas que soportará el sistema de suspensión como se muestra en la figura 20, como la carga muerta y la carga viva recaen en el centro de la estructura se procedió hacer una sumatoria de fuerzas donde se tiene una carga máxima de 7500 kg, por lo cual esta carga máxima se dividirá en dos cargas que están situadas en cada extremo del sistema de suspensión y por ende se procederá a realizar los respectivos cálculos de neumáticos, ejes y sistema de suspensión.
Figura 20. Cargas vivas y cargas muertas en el remolque
Al realizar el análisis de carga se determinó que los extremos del eje del remolque estarán sometido a una carga de 3750 kg, por ende se optó por un sistema de suspensión con dos ejes como se muestra en la figura 21 y por lo cual la ubicación de los ejes será en el centro de la estructura ya que la tabla de pesos y dimensiones expresa que deben ser remolques balanceados.
Figura 21. Distribución de cargas en el remolque
El análisis de cargas determinó que el sistema de suspensión debe ser de dos ejes para que cumpla con los objetivos planteados en el presente proyecto debido a que los extremos de los ejes soportarán una carga de 1875 kg.
7500 kg
3750 kg 3750 kg
3.2. SELECCIÓN DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN
Para la selección del sistema de suspensión se realiza una comparación entre los sistemas de suspensión mecánica por muelles parabólicos u hojas de ballestas, sistema neumático y sistema hidroneumático como se presenta en la tabla 2. El análisis de las alternativas expresará las ventajas y desventajas de los tres sistemas de suspensión y mediante criterios de valoración se analizará la fiabilidad, facilidad de ensamble, costo y capacidad de carga, mismos que determinaran el sistema favorable a ser implementado.
Tabla 2. Alternativas de sistemas de suspensión
Alternativas para la implementación de un sistema de suspensión para el remolque
Alternativa A: sistema de
suspensión mecánica por
muelles parabólicos o ballestas.
Alternativa B: sistema
de suspensión
neumática.
Alternativa C: sistema de suspensión hidroneumática.
Alternativa A
Sistema de suspensión mecánica por hojas ballestas son usados en vehículos de transporte de carga pesada, vehículos todo terreno, de turismo, remolques, semi-remolques y maquinaria pesada, ya que los muelles parabólicos de este sistema tiene flexibilidad y frecuencia natural.
Ventajas
Mayor resistencia a cargas pesadas. El precio del sistema es económico. Son de fácil de adquisición.
Fácil adaptación en estructuras. Tiene una larga vida útil.
El sistema no necesita muchos mantenimientos.
Los mantenimientos no necesitan herramientas especiales
Desventajas
Tiene baja estabilidad. La rigidez es alta. Inestabilidad en curvas.
Sin peso produce más vibraciones. Excesivo peso del sistema.
Fricción entre las hojas de ballesta.
Alternativa B
Ventajas
Confort de marcha del vehículo. Control de altura de la carrocería.
Movimientos homogéneos e independientes de la carga. Su peso y dimensiones son bajos.
Tiene una Capacidad variable de carga. Tiene una relevante estabilidad.
Los elementos del sistema no producen fricción.
Desventajas.
Funciona cuando el sistema haya complementado una considerable cantidad de aire.
Altos costos de adquisición
El proceso de montaje es demoroso Altos costos de mantenimiento
Necesita constante mantenimiento preventivo. Circuitos de aire extensos
El sistema es susceptible a daños por golpes.
Alternativa C
Sistema de suspensión hidroneumática: Este sistema se combinan con elementos hidráulicos y neumáticos, los cuales generan una amortiguación y elasticidad necesaria para adsorber las irregularidades de la calzada, por ende esta alternativa tiene características que brindaran una correcta amortiguación al remolque.
Ventajas
Control de altura de la carrocería.
Movimientos homogéneos e independientes de la carga. Su peso y dimensiones son bajos.
Tiene una Capacidad variable de carga. Tiene una relevante estabilidad.
Los elementos del sistema no producen fricción.
Desventajas
No tienen una gran capacidad de carga. El proceso de montaje es demoroso. Altos costos de mantenimiento.
Necesita constante mantenimiento preventivo. Circuitos hidráulicos y neumáticos extensos. El sistema es susceptible a daños por golpes.
Criterios de valoración
Tabla 3. Criterios de valoración.
Fiabilidad Montaje Costo Capacidad
Bajo = 0 Difícil = 0 Alto = 0 Bajo = 0
Medio = 0.5 Moderado= 0.5 considerable =0.5 Medio = 0.5
Alto= 1 Fácil= 1 Bajo = 1 Alto = 1
Fiabilidad: El sistema de suspensión debe ofrecer seguridad al transportar el mini-bulldozer.
Facilidad de montaje: El sistema debe ser de fácil manipulación para ser acoplado a la estructura del remolque.
Costo: Las partes que conforman la suspensión deben ser de bajos costos y de buena calidad.
Capacidad: El sistema de suspensión debe soportar un peso máximo de siete toneladas.
Una vez determinado los parámetros de cada alternativas, se procede se realizar la ponderación de las alternativas como se observa en la tabla 4, para determinar el sistema de suspensión idóneo para el presente proyecto.
Tabla 4. Conclusiones del método de evaluación.
Fiabilidad Montaje Costo Capacidad ∑
Alternativa A. 0.5 1 1 1 3.5
Alternativa B. 1 0.5 0.5 0.5 2.5
Alternativa C. 1 0 0 0.5 1.5
Como resultado final se llegó a la conclusión de que la alternativa A es la más favorable, ya que los elementos que conforman el sistema de suspensión por muelles parabólicos u hojas de ballesta son de fácil adquisición, fácil montaje, sus costos son moderados con respecto a las otras alternativas y tiene una gran capacidad de carga.
3.2.1. DISEÑO DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN DE MULLES
PARABÓLICAS U HOJAS BALLESTAS
Figura 22. Ballestas sometida a cargas
Para determinar el número de hojas de ballesta, se ingresará el valor de las fuerzas que se determinaron en el análisis de cargas del conjunto de muelles parabólicos en la ecuación [1] que se observa en la página 7, junto con las dimensiones que proporcionan los fabricantes de hojas ballestas como se detalla en el anexo 4, tales como: longitud, espesor y ancho y para completar la ecuación se utilizó los datos técnicos del acero en que se fabrica las hojas de ballesta, mismas que varían dependiendo el fabricante, por ende estos valores se mencionan en los libros: Manual práctico del automóvil donde expresa que la resistencia permisible está entre los 50 y 80 Kp/mm2, el libro
Técnicas del automóvil da a conocer una resistencia permisible de 101.97 kp/mm2 y el libro Ingeniería del Vehículo menciona una resistencia permisible
de 120 kp/mm2, por ende para mayor seguridad del diseño se utilizará el valor
de la resistencia permisible de 120 kp/mm2 como se presenta en la tabla 5.
Tabla 5. Cálculo del número de hojas de ballesta
Fuerza (kp). 937.500
Muelles parabolicos u hojas de ballesta Longitud (mm) Ancho (mm) Espesor (mm)
1.-Remolque Nabronco. POS
CUADRON VANDER IND ECUAT. 740 45 6 n = 21,41
2.- Toyota stout 2200 M/94. POS
VANDER IND ECUATO. 1170 70 7 n = 15,99
3.- Chevrolet van N200
m/2013.VANDER IND ECUATO. 970 60 6 n = 21,05
4.- Isuzu NPR M/2007.VANDER IND
ECUATO. 1340 70 10 n = 8,97
5.- RH Resortes Hércules, 22-940
Isuzu NHR 1150 60 9 n = 11,09
6.- RH Resortes hércules, Hino GD
volqueta 1100 100 10 n = 5,16
7.- RH Resortes Hércules, 07-229.
KIA PREGIO 1210 70 8 n = 12,66
8.- Chevrolet LUV 320 M/90 Pos. 1140 60 7 n = 18,18
9.- Chevrolet RT50 M/2013 1280 60 9 n = 12,35
Fórmula.
n=(F*6l)/(b*h^2.σ)
Resistencia permisible (kp/mm2).
120.000
Selección de muelles parabólicos según su número de hojas.
El proceso de cálculo determinó el número de hojas de ballesta necesarias para el sistema de suspensión mecánica mismas que proporcionará seguridad y confiabilidad, por ende la opción 6 cumple con los requisitos para ser implementado en el remolque ya que con 5 hojas de ballesta (n=5) de una longitud de 1100 mm, ancho de 100 mm y espesor de 10 mm soportarán la carga máxima.
3.2.2. SIMULACIÓN DE LAS HOJAS DE BALLESTA
Para confirmar si las dimensiones de las hojas de ballesta seleccionadas por el proceso de cálculo cumplen con los requerimientos para el presente proyecto se usará un programa de diseño, donde se ingresará las dimensiones y el tipo de acero de las hojas de ballesta, dando como resultado las deformaciones y esfuerzos que tendrá al momento de ser sometido a las cargas de diseño como se observa en la figura 23.
Figura 23. Simulación de las hojas de ballesta
El programa de simulación dio a conocer que tan fiables son las hojas de ballesta mediante el análisis del factor de seguridad que dio como resultado 1.5 como se observa en la figura 24, confirmando que las dimensiones son las adecuadas brindando seguridad ya que el valor obtenido está dentro del rango de un diseño seguro.
Al realizar el proceso de cálculo se determinó las dimensiones de las hojas de ballesta, mismas que fueron analizadas mediante un programa de diseño y simulación que confirmó que las dimensiones de las hojas de ballesta son idóneas para el presente proyecto.
3.3. SELECCIÓN DE NEUMÁTICOS
Para determinar el tipo de neumático que complementara el sistema de suspensión se utilizará el valor a la que se encuentra sometido cada extremo de los ejes, misma que es de 1875 kg como se observa en la figura 25.
Figura 25. Radio de los muelles helicoidales
Para el proceso de seleccione neumáticos se procedió a recopilar información del radio de curvatura de las hojas de ballesta de diversas dimensiones como se presenta en la tabla 6.
Tabla 6. Radio de curvatura de las hojas de ballesta.
Radios de curvatura de las hojas de ballesta (mm)
opción 1 160
opción 2 205
opción 3 165
opción 4 135
opción 5 165
opción 6 210
opción 7 160
opción 8 250
opción 9 190
Sumatoria = 1640
Promedio = 182
Figura 26. Sistema de suspensión por ballestas
Una vez obtenido las dimensiones de la viga, placa porta ballestas y el promedio de los radios de curvatura de las hojas de ballesta se procede a sumar los tres valores y por ende obtener un valor que se asemeje al radio del neumático necesario para complementar el sistema de suspensión como se muestra en el siguiente proceso.
x = 100 + 150 + 182 x = 432 mm radio = 432 mm diametro = 864 mm
Para la selección de neumáticos se recopiló información de catálogos de fabricantes de neumáticos para uso industrial como se presenta en la tabla 7, por consiguiente se utilizará el valor de la carga que soporta los ejes en sus extremos misma que es de 1875 kg y el radio del neumático de 432 mm y por ende designar el neumático que cumpla con los requerimientos del diseño.
Tabla 7. Dimensiones de neumáticos para remolques
Producto Índice de carga
Diámetro exterior (mm)
Carga máxima por neumático (kg)
T 545 (R) 146/143 1047 1910
T 545 (R) 149/146 1131 1935
FS 511 (R) 148/145 1.012 2130
FS 511 (R) 150/146 1.044 2060
BFT 595 (D) 133/131 970 2300
BFT 595 (D) 141/139 1.012 2160
R 227 152/148 1.052 3.350
R 250 141/137 1.018 2.500
R 250 146/143 1.051 3.000
R 294 136/134 839 2.040
R 294 144/142 893 2.725
R 294 140/137 930 2.500
R 187 135/133 764 2.180
R 187 143/141 841 2.725
R 187 148/145 914 3.150
3.3.1. CÁLCULO DE LA LONGITUD DE LA RAMPA DEL REMOQUE
Con la información del diámetro exterior del neumático de 764 mm, junto con la altura del remolque, se procede a calcular la longitud de la rampa del remolque, misma que no debe superar la medida de la plataforma del remolque y se adapte a las dimensiones del mini-bulldozer para que pueda elevarse hasta el remolque como se observa en la figura 27.
Figura 27. Ángulo de inclinación de la rampa
Para determinar la longitud de la rampa del remolque y su ángulo de inclinación se realizará una tabla de datos donde se calculara la longitud y el ángulo de inclinación dela rampa del remolque mediante ecuación [16] de la página 18, donde se utiliza la función trigonométrica seno, misma que dará como resultado la longitud de la rampa como se observa en la tabla 8.
sin ∅ = C0 H H = CO
sin ∅
Tabla 8. Longitud de las rampas del remolque
altura del remolque mm
764
Angulo de inclinación Radianes Longitud de la rampa
5 0,02 8765,92
10 0,02 4399,70
15 0,02 2951,87
20 0,02 2233,79
25 0,02 1807,78
30 0,02 1528,00
35 0,02 1331,99
40 0,02 1188,57
45 0,02 1080,46
50 0,02 997,33
60 0,02 882,19
70 0,02 813,03
Formula
Calculo de la longitud de la rampa para el remolque.
=𝑎 𝑎 sin
El proceso de cálculo determinó que los ángulos de inclinación que sean mayor a 450 ocupan poco material por su considerable longitud pero son
inseguras para elevar el mini-bulldozer al remolque, mientras que las rampas
2600 mm
200 mm 200 mm
con un ángulo de inclinación que van descendiendo desde los 150 sobrepasan
la longitud de la plataforma del remolque, por consiguiente los ángulos de inclinación de 20o hasta los 35o cumplen con el propósito de brindar un ángulo
de inclinación seguras para que las rampas cumplan su función principal, la cual es que el mini-bulldozer pueda subir al remolque con facilidad.
Como resulto final se determinó que el ángulo de inclinación debe ser 200, por
motivo que el mini-bulldozer pósese un sistema de desplazamiento por orugas y la rampa de longitud 2233.79 mm es idónea para el remolque. Se recomienda implementar un soporte en la parte posterior del remolque para evitar que algún accidente al momento de subir el mini-bulldozer a la plataforma ya que al momento de ascender a la maquinaria a la plataforma por medio de las rampas, este podría hacer que el remolque se eleve en la parte frontal perdiendo estabilidad y producir un volcamiento del mismo.
3.4. SELECCIÓN DE EJES
Para diseñar e implementar un sistema de suspensión es necesario calcular las dimensiones del eje, ya que este elemento mecánico es un punto de apoyo a las ruedas, neumáticos y un punto de sujeción para los muelles parabólicos u hojas de ballesta, las mismas que generaran cargas que recaen en el eje generando esfuerzo flexionantes como se muestra en la figura 28. La longitud del eje se definido en 2400 mm ya que se debe tomar en cuenta el ancho del neumático y no sobrepasar el ancho de los remolques vigente el Acuerdo Ministerial del Ministerio de Transporte y Obras Públicas que expresa que el ancho debe ser de 2600 mm.
Figura 28. Cargas que soporta el eje
Una vez determinadas las cargas a las que es sometido el eje se procese a realizar los diagramas de fuerzas cortantes y momento flector como se muestra en la figura 29.
Figura 29. Diagrama de fuerza cortante
1875 kg 1875 kg
1875 kg 1875 kg 2400 mm 700 mm 700 mm 0
0 700 700
1875 kg
El diagrama de momento flector indica los puntos críticos donde el eje tendrá lugar a la deformación y dará como resultado el momento máximo de 1312500 kg.mm como se observa en la figura 30.
Figura 30. Diagrama de momento flector del eje
Una vez determinado el momento flector máximo se procede a seleccionar el eje que para este caso se utilizó los datos técnicos que proporciona la empresa DIPAC que se muestra en anexo 10, por lo cual se realizará un proceso de cálculos donde se ingresa los valores del momento flexor máximo en la ecuación [8] ubicada en la página 15, este proceso de detalla en la tabla 9, en donde se seleccionará el eje mediante el análisis del factor de seguridad de la ecuación 14 ubicada en la página 17.
Tabla 9. Cálculo y Selección de ejes
0 0 700 700 1875 kg 1875 kg V 0 0 M
1312500 kg x mm
Momento flector
maximo (kg.mm) 1312500
Resistencia del material (S)
(kg.mm2)
42,2
Formula del esfuerzo flexionante (KPa)
Momento de inercia de un eje hueco (mm)4
Diametro externo (mm) Diametro interno (mm) Factor de seguridad Radio del eje (mm)
σ=(M*c)/I I=(π(d_2^4-d_1^4))/64 de di n=S/σ c
1 1584,39 8822,43 21,3 12,7 0,03 10,65
2 982,16 17840,21 26,7 19,5 0,04 13,35
3 539,40 40635,66 33,4 25,4 0,08 16,7
4 261,91 105739,55 42,2 31,75 0,16 21,1
5 193,71 163633,45 48,3 38,1 0,22 24,15
6 122,92 321921,03 60,3 50,8 0,34 30,15
7 80,44 595579,55 73 63,5 0,52 36,5
8 41,37 1410349,78 88,9 76,2 1,02 44,45
9 23,84 3146164,90 114,3 101,6 1,77 57,15
Ejes huecos
