UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REMOLQUE PARA DOS
GO KARTS, PARA SER TRANSPORTADO POR UN VEHÍCULO
DE TURISMO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
JONATHAN RODRIGO ROSERO ARMIJOS
DIRECTOR: MSC. LENIN VALENCIA
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2017
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO CÉDULA DE IDENTIDAD: 1721846598
APELLIDO Y NOMBRES: Rosero Armijos Jonathan Rodrigo
DIRECCIÓN: San José de Monjas Calle Baltazar García y Santiz S3-255
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 023195019
TELÉFONO MOVIL: 0987365796
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Diseño y construcción de un remolque para dos go karts, para ser transportado por un vehículo de turismo
AUTOR O AUTORES: Rosero Armijos Jonathan Rodrigo FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
7 de agosto de 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
MSc. Lenin Valencia Méndez
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El presente proyecto consistió en diseñar y construir de un remolque para dos go karts, que fue transportado por un vehículo de turismo. Se tomó en cuenta el tamaño de los go karts y así se estableció las dimensiones del remolque en 5320 mm de largo por 1817 mm de ancho. Se encontró un modelo de remolque adecuado y se consiguió versatilidad y eficiencia al momento que se montó y desmontó los go karts. Las características de funcionalidad del remolque permitieron que una sola persona fuera capaz de realizar las actividades de subir y bajar los vehículos del remolque en un tiempo aproximado de 13 minutos. Esto se logró gracias a los sistemas de apoyo con los que contó el remolque ya que facilitaron la operación de manejo de las estructuras utilizando una wincha que se ubicó en la estructura externa y se acopló a la estructura interna, esta tuvo una relación de transmisión de 4.1:1 que permitió conseguir el descenso de la plataforma 1400 mm tensando un cable de acero de diámetro 7/32 pulg que recibió
una tensión de 3430 N y así se consiguió que la plataforma llegue al piso simplificando el trabajo de operación y favoreciendo el ingreso de los vehículos a la plataforma. La selección y cantidad de material con las que se construyó el remolque dio como resultado un peso total de 310 kg este valor fue tolerable tomando en cuenta que el remolque movilizó a 2 go karts a la vez. Con un programa software de simulación se averiguó datos importantes para la construcción del remolque, unos de los valores principales que arrojó la simulación fue los 4 puntos de factor de seguridad, se conoció también el esfuerzo permisible máximo de 62MPa. Y finalmente las pruebas de funcionamiento dieron garantía de tener un remolque seguro, confiable.
PALABRAS CLAVES: Remolque, estructura, diseño, construcción, go kart.
trailer, one of the main values that the simulation showed was the 4 points of safety factor, it was also known the maximum permissible effort of 62MPa. And finally the performance tests gave guaranteed to have a safe, reliable trailer.
KEYWORDS Trailer, structure, design, construction, go-kart.
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
f: __________________________________________
ROSERO ARMIJOS JONATHAN RODRIGO
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, ROSERO ARMIJOS JONATHAN RODRIGO, CI 172184659-8 autor del proyecto titulado:
Diseño y construcción de un remolque para dos go karts, para ser transportado por un vehículo de turismo 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.
Quito, 07 de agosto de 2017
f:__________________________________________
ROSERO ARMIJOS JONATHAN RODRIGO
DECLARACIÓN
Yo JONATHAN RODRIGO ROSERO ARMIJOS, 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 Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________
Jonathan Rosero
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y construcción de un remolque para dos go karts, para ser transportado por un vehículo de turismo”, que, para aspirar al título de INGENIERO AUTOMOTRIZ fue
desarrollado por JONATHAN RODRIGO ROSERO ARMIJOS, bajo mi
dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
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Lenin Valencia
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Quiero dedicar este proyecto a mi familia en general, pero de manera especial a mis padres Rodrigo Jaime Rosero y Myriam Eugenia Armijos Gavidia, ya que ellos estuvieron siempre a mi lado brindándome su apoyo incondicional y sincero en todo momento y bajo todas circunstancias, su ejemplo de esfuerzo y lucha así como sus consejos hicieron de mí una mejor persona.
A mi hermana Estefany Vanessa Rosero Armijos, a mi novia, por sus palabras y acciones de apoyo.
A mis primos.
AGRADECIMIENTO
A Dios por guiar mis pasos para alcanzar los objetivos que me plantee, a mis padres Rodrigo Jaime Rosero y Myriam Eugenia Armijos Gavidia por haberme apoyado de distintas maneras para poder culminar mi carrera universitaria con éxito.
A mis maestros por sus enseñanzas brindadas en cada momento en que fueron requeridos, en especial al MSc. Lenin Valencia por haberme impulsado y asistido en este proyecto.
A mis compañeros de carrera por su amistad incondicional además de ayudarme con sus consejos y conocimientos.
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ...1
ABSTRACT ... 2
1. INTRODUCCIÓN ...3
2. METODOLOGÍA ... 12
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 14
3.1. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA ... 14
3.1.1. ESQUEMA DE LA ESTRUCTURA 15 3.1.2. DISTRIBUCIÓN DE CARGAS 17 3.2. SELECCIÓN DEL MATERIAL ... 20
3.2.1. SELECCIÓN DEL TIPO DE ACERO 21 3.2.2. SELECCIÓN DEL ALUMINIO 24 3.3. SIMULACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL REMOLQUE ... 25
3.4. CONSTUCCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS DEL REMOLQUE ... 27
3.4.1. CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA EXTERNA 28 3.4.2. CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA INTERNA 29 3.4.3. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN 31 3.5. IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS DE APOYO ... 34
3.5.1. WINCHA DE ENGRANAJES 34 3.5.2. EJE ROSCADO Y PIE DE APOYO 36 3.5.3. SELECCIÓN DEL ACOPLE Y BOLA DE ENGANCHE 37 3.5.4. RAMPA DE ACCESO 41 3.5.5. SISTEMA DE ILUMINACIÓN 41 3.6. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ... 43
3.7. IMPLEMENTACIÓN DE DETALLES ESTÉTICOS ... 44
3.8. MANUAL DE FUNCIONAMIENTO ... 45
3.9. PLAN DE MANTENIMIENTO ... 46
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 48
4.1. CONCLUSIONES ... 48
4.2. RECOMENDACIONES ... 49
5. BIBLIOGRAFÍA ... 50
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ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Cuadro comparativo acero-aluminio 6
Tabla 2. Dimensiones go karts y remolque 14
Tabla 3. Soldabilidad del acero en función del carbono equivalente 23
Tabla 4. Comparación de resultados 27
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ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Diagrama de fuerza cortante, momento flexionante 8 Figura 2. Elementos proceso de soldadura GMAW 9
Figura 3. Remolque para motos 14
Figura 4. Plano vista superior del remolque 15 Figura 5. Plano estructura externa del remolque 16 Figura 6. Plano estructura interna del remolque 16
Figura 7. Diseño 3D del remolque 16
Figura 8. Distribución de cargas en el remolque 18 Figura 9. Diagrama de momento flector y fuerza cortante 20 Figura 10. Diagrama cuerpo libre de fuerza cortante y momento flector 21 Figura 11. Tubo estructural cuadrado, norma de fabricación INEN 2415 22 Figura 12. Gráfico esfuerzo-deformación para varios grados aceros 22 Figura 13. Contenido de carbono en la resistencia de los aceros 23
Figura 14. ASTM A1200 - TEMPLE H-18 24
Figura 15. Curva de esfuerzo-deformación de aleaciones del aluminio 24 Figura 16. Esfuerzo máximo en la estructura del remolque 25 Figura 17. Factor de seguridad de la estructura del remolque 26 Figura 18. Desplazamiento de la estructura del remolque 27 Figura 19. Etapas construcción del remolque 27 Figura 20. Estructura externa del remolque 28
Figura 21. Estructura externa completa 28
Figura 22. Estructura interna del remolque 29 Figura 23. Montaje de las planchas de aluminio en la estructura interna 30 Figura 24. Estructuras en un solo conjunto 30 Figura 25. Cojinete de rueda y punta de eje 31 Figura 26. Desbaste del armazón de punta de eje 32 Figura 27. Cojinetes de ruedas y puntas de eje con refuerzo 32 Figura 28. Montaje de cojinetes de ruedas y puntas de eje 33 Figura 29. Neumático seleccionado 175/70/R13 33 Figura 30. Sistema de apoyo: wincha de engranajes 34 Figura 31. Diagrama de cuerpo libre tensión sistema de elevación 35
Figura 32. Especificaciones wincha 36
Figura 33. Eje roscado 37
Figura 34. Acoples existentes en el mercado 40 Figura 35. Catálogo de bolas de acople para remolques 40
Figura 36. Sistemas de apoyo 41
Figura 37. Rampa de acceso 41
Figura 38. Pruebas de funcionamiento 44
Figura 39. Aplicación de fondo anticorrosivo en la estructura 44
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ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1. Norma INEN 1155 53
Anexo 2. Tabla nacional de pesos y dimensiones basado en MTOP 54 Anexo 3. Propiedades mecánicas acero ASTM-500 55
Anexo 4. Propiedades aluminio A1050 H18 57
Anexo 5. Tabla de regulación proceso de soldadura GMAW 58 Anexo 6. Tabla de equipos, herramientas y software 59
Anexo 7. Norma INEN 2415 61
Anexo 8. Índice de carga y velocidad de un neumático 71 Anexo 9. Especificaciones de cable de acero 72
Anexo 10. Reglamento LOTTTSV 73
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RESUMEN
El presente proyecto consistió en diseñar y construir de un remolque para dos go karts, que fue transportado por un vehículo de turismo. Se tomó en cuenta el tamaño de los go karts y así se estableció las dimensiones del remolque en 5320 mm de largo por 1817 mm de ancho. Se encontró un modelo de remolque adecuado y se consiguió versatilidad y eficiencia al momento que se montó y desmontó los go karts. Las características de funcionalidad del remolque permitieron que una sola persona fuera capaz de realizar las actividades de subir y bajar los vehículos del remolque en un tiempo aproximado de 13 minutos. Esto se logró gracias a los sistemas de apoyo con los que contó el remolque ya que facilitaron la operación de manejo de las estructuras utilizando una wincha que se ubicó en la estructura externa y se acopló a la estructura interna, esta tuvo una relación de transmisión de 4.1:1 que permitió conseguir el descenso de la plataforma 1400 mm tensando un cable de acero de diámetro 7/32 pulg que recibió una tensión de 3430 N y así se consiguió que la plataforma llegue al piso simplificando el trabajo de operación y favoreciendo el ingreso de los vehículos a la plataforma. La selección y cantidad de material con las que se construyó el remolque dio como resultado un peso total de 310 kg este valor fue tolerable tomando en cuenta que el remolque movilizó a 2 go karts a la vez. Con un programa software de simulación se averiguó datos importantes para la construcción del remolque, unos de los valores principales que arrojó la simulación fue los 4 puntos de factor de seguridad, se conoció también el esfuerzo permisible máximo de 62MPa. Y finalmente las pruebas de funcionamiento dieron garantía de tener un remolque seguro, confiable.
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ABSTRACT
The present project consisted of designing and constructing a trailer for two go karts, which was transported by a tourist vehicle. The size of go karts was taken into account and thus the dimensions of the trailer were set at 5320 mm long by 1817 mm wide. A suitable trailer model was found and versatility and efficiency were achieved when the go karts were assembled and dismantled. The functionality characteristics of the trailer allowed a single person to be able to perform the activities of raising and lowering the vehicles of the trailer in an approximate time of 13 minutes. This was achieved thanks to the support systems that counted the trailer as they facilitated the operation of handling the structures using a wincha that was located in the external structure and was coupled to the internal structure, this had a transmission ratio of 4.1: 1, which allowed the platform to be lowered by 1400 mm by tensioning a 7/32 in. Diameter steel cable that received a tension of 3430 N, thus allowing the platform to reach the floor, simplifying the operation and favoring the entrance Of vehicles to the platform. The selection and quantity of material with which the trailer was built resulted in a total weight of 310 kg. This value was tolerable taking into account that the trailer mobilized 2 go karts at a time. With a simulation software program, important data were obtained for the construction of the trailer, one of the main values that the simulation showed was the 4 points of safety factor, it was also known the maximum permissible effort of 62MPa. And finally the performance tests gave guaranteed to have a safe, reliable trailer.
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1. INTRODUCCIÓN
Al poseer dos go karts y no disponer de un medio de transporte apropiado, eficiente y seguro para la movilidad de estos vehículos ha conllevado la necesidad de ocupar a terceras personas para facilitar la movilidad de los go karts, siendo ésta la primera opción de transporte de los vehículos hacia las diferentes pistas de kartismo del país. En el mercado existen varios modelos de remolque de fabricación artesanal, es decir, su construcción es de manera anti técnica y con materiales de características inadecuadas, además de que no se realiza un análisis adecuado de parámetros como: peso que debe transportar, longitud de la carga, terrenos por donde se movilizará el remolque, todos estos datos son necesarios de tomar en cuenta al momento de construir un remolque específico para llevar dos go karts al mismo tiempo. Es por esta razón que nació la necesidad de encontrar una forma de transporte idóneo que asegure que los go karts lleguen a su lugar de destino sin inconveniente y de forma segura, para lograr conseguir el trasporte de los go karts hacia las diferentes pistas de competencia sin poner en riesgo la integridad física de los vehículos ni de las personas que los transportan, se planteó diseñar y construir un remolque que permita transportar dos go karts de forma segura y técnica, teniendo en cuenta la comodidad y versatilidad que debe tener el remolque en su operación, es decir, que la carga y descarga de los dos go karts sea fácil de realizar para la persona que requiera transportar los vehículos, es importante que en el diseño se tome en cuenta la ubicación apropiada de los vehículos en la plataforma, para lo cual el tamaño de la estructura debe tener un diseño eficiente que permita la movilidad del remolque en distintos terrenos, dejando así la dependencia de terceras personas para movilizar los go karts.
En el Ecuador existen leyes y normas a las que se debe regir un remolque para la circulación en vías públicas, aspectos como la señalética e iluminación se encuentran contemplados en la Ley Orgánica de Transporte Terrestre, Transito Y Seguridad Vial (LOTTTSV) y las normas expedidas por el Servicio Ecuatoriano de Normalización (INEN), una de las normas a ser tomada en
cuenta es la norma INEN – ISO – 3833:2008 (Anexo 1). Asimismo, las
dimensiones y los pesos establecidos para cada tipo de remolques y semi-remolques de diferente número de ejes se encuentran en la tabla nacional de pesos y dimensiones basada en la Ley de Caminos propuesto Por el Ministerio de Transporte y Obras Publicas (Anexo 2).
4 remolque. Construir el remolque implementando el diseño y materiales seleccionados ya que estos elementos son los encargados de soportar las fuerzas a las que está sometida la estructura. Analizar e implementar sistemas de apoyo para la seguridad, versatilidad de carga y descarga de los vehículos así como un sistema de iluminación que cumpla con las normas INEN 1155, también otros sistemas de apoyo para la elevación de la estructura externa y el descenso de la plataforma, así mismo un sistema de suspensión en función a la presión de los neumáticos. Realizar pruebas de campo exigiendo al remolque en distintos parámetros de funcionamiento para conseguir su confiabilidad.
Un go karts se define como un vehículo de carreras de cilindrada baja, sin carrocería, de dimensiones pequeñas sin caja de cambios ni suspensión (DLE, 2014). En el mundo del kartismo existen distintas categorías de competición las cuales son: KF1, KF2, KF3, kF4, KZ1, KZ2 y Súper kart. Las categorías mayores tienen a menudo patrocinadores como son federaciones nacionales de automovilismo del Mundo, una de ellas es la Federación Internacional de Automovilismo (FIA) (Ramirez, 2010).
La división de categorías está comprendida en:
• KF1 - Fórmula A
• KF2 - Intercontinental A
• KF3 - Junior (ICA-J)
• KF4 - categoría "Básica"
• KZ1 - Súper-ICC
• KZ2 - Intercontinental C
Todas las categorías utilizan un motor de 125 c.c. con un motor mono cilindro con una caja automática y refrigeración por aire o agua, las dos últimas categorías utilizan un motor de 125 c.c. con la diferencia que tiene una caja manual y son solo refrigerados por agua, también existen karts con diferente cilindraje, los motores mono cilindros son de 50 c.c., 60 c.c., 100 c.c. y 125 c.c. (FCK, 2015).
El organismo que se encarga de crear las regulaciones necesarias para poder homologar todo tipo de karts es CIK/FIA (Comisión Internacional de Kartismo FIA).
Este organismo fue creado con el objetivo de desarrollar, promover, coordinar y regular las actividades relacionadas con el Karting en todo el mundo, respetando los principios establecidos por la Federación Internacional del Automóvil (FIA) (CIK/FIA).
Dentro de las características de un go kart, se debe decir que tiene una capacidad de carga de aproximada de 70 kg a 80 kg.
Las dimensiones que tiene un go karts homologado son: ancho total de 1440 mm, longitud total de 2000 mm, altura total de 650 mm, el claro del piso de 20 mm y una masa de 70 kg. (Oviedo, 2010).
5 inapropiada en cuanto a las dimensiones que tienen los vehículos, para poder transportar este tipo de vehículos con dimensiones definidas es necesario contar con un remolque específico para go karts.
Se debe tomar en cuenta que un remolque facilita la movilidad de los dos go karts siempre y cuando se tome en cuenta parámetros como la seguridad de los vehículos, de los ocupantes y de sus alrededores.
Los diferentes modelos de remolques que se consiguen para trasportar dos go karts al mismo tiempo son: contar con una sola plataforma donde un vehículo vaya a continuación del otro o también existen remolques que trasportan los dos vehículos en dos plataformas, una arriba y otra abajo. La mejor manera para poder transportar un go kart es realizar una lista de procesos (Rebollar, 2008).
Actividades como drenar el combustible del tanque y del carburador bajan el riesgo de una posible explosión, es importante drenar dicho combustible en un área con buena ventilación para evitar inhalar gases tóxicos, el almacenamiento del combustible drenado debe ser en un contenedor específico para su transporte (Ganduglia, 2009). El go karts siempre debe estar apoyado sobre las cuatro ruedas para prevenir derrames de aceite (Oviedo, 2010).
Es importante conocer los tipos de materiales con los que pueden ser construidos los remolques, los materiales que comúnmente son utilizados para la construcción de un remolque son planchas corrugadas de aluminio, tubo cuadrado y redondo de acero para la estructura del remolque, en este proyecto se utilizará acero negro estructural cuadrado ASTM A-500 o A36 (Anexo 3), que es un tipo de acero utilizado para fabricación de estructuras ligeras, carrocerías en general y con características de resistencia adecuadas para la construcción de una estructura de remolque, ya que este acero resiste de mejor manera el peso de las cargas, otro material importante en la construcción del remoque son las planchas de aluminio antideslizante o corrugado ASTM A1200 - TEMPLE H-18 (Anexo 4), gracias a su bajo peso lo convierte en un material ideal para contrarrestar el peso de la estructura de acero, la idea es combinar los dos materiales de manera que se obtenga un remolque estructuralmente fuerte pero con bajo peso en comparación a un remolque construido totalmente de acero.
Las siguientes son algunas de las características mecánicas que tiene el acero ASTM A-500 (DIPAC, 2016).
Especificaciones Generales:
Calidad: ASTM A-500
Recubrimiento: Negro
Largo Normal: 6.00 m
Dimensiones: Desde 20.00mm a 100.00mm
6 Las características mecánicas del aluminio y del acero son adecuadas para realizar la construcción de un remolque, al utilizar acero en la estructura del remolque se conseguirá un armazón de gran resistencia a cargas unido por soldadura o tornillos (García, 2008).
La tabla 1 muestra características físicas y mecánicas de los perfiles laminados.
Tabla 1. Cuadro comparativo acero-aluminio Características físicas y
mecánicas
Perfiles laminados acero (A37, A42, A52)
Aluminio (ASTM A1200 - TEMPLE H-18)
Peso específico (gr/cm3) 7,85 2,70
Punto de fusión (ºC) 1535 658
Coeficiente de dilatación
térmica lineal (10-6 ºC-1) 11 23
Resistividad eléctrica
(microhmios-cm2/cm) 19 2,8
Resistencia a tracción
(N/mm2) 370-620 250-300
Límite elástico 0,2 (N/mm2) 240-360 270 Módulo de elasticidad
(N/mm2) 200.000 65.000
(Construmatica, 2016)
El aluminio se emplea con frecuencia en aplicaciones estructurales y mecánicas, las propiedades físicas del aluminio de bajo peso son aproximadamente 55% menor al peso que tiene el acero (Viñas, 2010). Además las propiedades mecánicas como la resistencia a la corrosión, la facilidad relativa de formado – maquinado y a todo lo anterior se debe decir también que el aluminio tiene un atractivo diseño estético (Mott, 2006). El objetivo principal de un remolque es transportar una carga de manera fácil, al igual que un vehículo de carga un remolque está conformado por un chasis o bastidor que es un armazón conformado por largueros enlazados por travesaños de acero, los largueros y los travesaños deben tener una sección adecuada para soportar los esfuerzos a los que están sometidos durante su marcha (Pérez, 2008).
Existen algunos tipos de cargas, esfuerzos y tensiones a las que va a estar sometida la plataforma del remolque por lo tanto es necesario analizar algunos parámetros, en este caso el remolque debe soportar el peso de los dos go karts que se la puede clasificar como un peso de carga muerta.
7
una área trasversal (𝐴) en este caso el área de la plataforma donde los karts
descansan y la cual soportara un peso o carga axial (𝑃) (Budynas, 2008).
σ = 𝑃
𝐴 [1]
Donde:
σ: Esfuerzo unitario 𝑃: Carga aplicada
𝐴: Área sobre la cual actúa la carga
Es importante calcular la deformación que tendrá el sistema, especialmente las vigas que se tienden a tener un ligero alargamiento debido a la aplicación de la carga se le dé, los cambios longitudinales son conocidos también como contracciones o elongaciones, por tanto la deformación total del sistema es el cambio longitud en su estructura (Fitzgeralil, 2007).
Para el cálculo de la deformación que tienen las vigas en el remolque se tiene que utilizar la ecuación [2].
ϵ = 𝛿
𝐿 [2]
Donde:
ϵ: Deformación unitaria
𝛿: Deformación total (cambio total de longitud) 𝐿: Longitud original
El módulo de elasticidad consiste básicamente en un estiramiento del material sin que éste se rompa, es decir, el material se comporta elástica y linealmente mientras se le está aplicando una carga y éste estar por debajo del límite de ruptura (BEER, 2010).
La ecuación [3] se debe utilizar para calcular del módulo de la elasticidad que tendrá las vigas del remolque.
σ = 𝐸𝜖 [3]
Donde:
σ: Esfuerzo unitario 𝜖: Deformación unitaria 𝐸: Módulo de elasticidad
Al momento de aplicar una carga perpendicular a la viga, está debe ser lo suficientemente segura como para que no se rompa por lo cual el diseño debe basarse en la ecuación [4].
𝜎𝑚á𝑥 = 𝑀
8 Donde:
𝜎𝑚á𝑥: Esfuerzo máximo en la viga
𝑀: Momento flector en la sección de interés
𝑆: Modulo de sección elástico
El momento flector y la fuerza cortante son esfuerzos a los que se encuentran sometidos una estructura de acero, el resultado de sumar las fuerzas que actúan sobre la viga es llamado Fuerza Cortante (V) mientras que el Momento Flector (M) es la distribución de tensión aplicada a una sección transversal, la relación que entre ambas está determinada por la ecuación [5] (Budynas, 2008).
En la figura 1 se muestra un diagrama de fuerza cortante, momento flexionante. Por medio de la ecuación [4] se calcula el momento flector para así conseguir calcular la fuerza cortante.
𝑉 = 𝑑𝑀
𝑑𝑥 [5]
Donde:
𝑉: Fuerza cortante
𝑑𝑀: Momento flector
𝑑𝑥: Distancia
Figura 1. Diagrama de fuerza cortante, momento flexionante
(Zacarias, 2011)
El material a utilizar en el remolque tiene varias características por lo tanto es importante que el proceso de soldadura que se elija sea el más adecuado, el proceso seleccionado para la unión y sujeción debe tener un alta resistencia a la flexión, torsión y a la carga a las cuales la plataforma está expuesta, después de la unión de los materiales, estos deben conservar intactas sus propiedades iniciales.
9 se lleva a cabo mediante el calentamiento del electrodo y la pieza a soldar, el aporte del electrodo es de manera continua mediante la movilización de un carrete que contiene al electrodo mientras que de forma externa en un tanque almacenado se encuentra el gas que protege la fusión que es el que se encarga de la estabilizar el arco.
Para este proceso de unión mediante soldadura, es importante tener en cuenta también el voltaje, amperaje y tipo de gas de protección que se va a utilizar en el ensamblaje del remolque (INDURA S.A., 2007).
En la figura 2 se muestra un diagrama esquemático del proceso de soldadura GMAW.
1. Una máquina soldadora.
2. Un alimentador que controla el avance del alambre a la velocidad requerida.
3. Una pistola de soldar para dirigir directamente el alambre al área de soldadura.
4. Un gas protector, para evitar la contaminación del baño de soldadura. 5. Un carrete de alambre de tipo y diámetro específico.
Figura 2. Elementos proceso de soldadura GMAW (INDURA S.A., 2007)
En el (Anexo 5) se detalla la selección de diámetro del electrodo, amperaje, voltaje, velocidad de avance y el tipo de gas protector así como el tipo de electrodo que en este caso es el AWS: ER-70S-6, todos estos parámetros dependen de las dimensiones y del tipo de material que se va a utilizar en el proyecto (INDURA S.A., 2007).
La ecuación [6] determinar el factor de seguridad del proyecto, el factor de seguridad se considera como la razón de la resistencia o límite de fluencia dividida para los esfuerzos permisibles, los límites de fluencia se determinara en tablas según el material de construcción dichos valores oscilan entre 1.0 y 10, siendo 1.0 un factor aceptable como mínimo (Hibbeler, 2006).
𝑛 = 𝑆
10 Donde:
𝑛: Factor de seguridad o diseño
𝑆: Resistencia de pérdida de la función o límite de 𝜎: Esfuerzo permisible
También se utiliza la ecuación:
𝐹. 𝑆. = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑜
𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑃𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 [7]
Para calcular la fuerza que se requiere para movilizar el remolque es necesario mencionar la segunda Ley de Newton la cual explica lo que le ocurre a un cuerpo al momento que se aplica una fuerza sobre él (Serway, 2001). Para calcular dicha fuerza se debe utilizar la ecuación [8].
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎 [8]
Donde:
𝐹
: Fuerza𝑚: Masa
𝑎: Aceleración
La aceleración constante de una partícula es la diferencia de las velocidades final e inicial dividida para un tiempo establecido (Tipler, 2003). Para conocer este valor se debe utilizar la ecuación [9].
𝑎 =𝑉𝑓−𝑉𝑖
𝑡 [9]
Donde:
𝑎: Aceleración 𝑉𝑓: Velocidad Inicial 𝑉𝑓: Velocidad Final 𝑡: Tiempo
El trabajo que necesita el remolque para vencer la cinética puede ser calculado por la ecuación [10] donde se indica que el trabajo es producto de de la fuerza por el desplazamiento, esto da como resultado que si la fuerza va en la misma dirección del desplazamiento, la energía cinética del cuerpo aumentará (Tambutti, 2005).
𝑊 = 𝑓 ∗ 𝑑 [10] Donde:
11 𝑓: Fuerza
𝑑: Desplazamiento que experimenta el cuerpo
Para conocer el desplazamiento que tendrá el remolque fue necesario aplicar la ecuación [11] ya que el desplazamiento de un cuerpo con una velocidad inicial está sujeto a aceleración (Gowitzke, 1999).
𝑑 = (𝑉𝑓+𝑉𝑖
2 ) ∗ 𝑡 [11]
Donde:
𝑑: Desplazamiento que experimenta el cuerpo
𝑉𝑓: Velocidad Inicial 𝑉𝑓: Velocidad Final 𝑡: Tiempo
Es sistema eléctrico instalado en el remolque no es más que una extensión de las luces posteriores del vehículo que debe acarrear al remolque, es necesario conocer la intensidad de corriente que genera cada foco del sistema de iluminación del remolque.
En los circuitos eléctricos la capacidad el realizar un trabajo se conoce como potencia y cualquier elemento que consuma energía eléctrica expresa su potencia en watts (Enríquez, 2005).
Para conocer la potencia de cada elemento del sistema de iluminación se debe aplicar la ecuación [12].
𝑃 = 𝐸 ∗ 𝐼 [12]
Donde: 𝑃: Potencia 𝐸: Voltaje
12
2. METODOLOGÍA
Existen algunos métodos para ser tomados en cuenta al momento de realizar un proyecto como es la construcción de un remolque. El tipo de metodología que se tomó en cuenta es la experimental ya que el investigador maneja las variables de acuerdo al tipo de investigación que esté realizando.
En esta sección se detalla y especifica paso a paso el proceso que se llevó a cabo para la realización del proyecto de titulación, con ayuda de la investigación bibliográfica adquirida, se logró encontrar información importante para el diseño, simulación y construcción del remolque.
Se diseñó un modelo de remolque eficiente, seguro y confiable para llevar dos go karts, cuya ventaja fue su versatilidad y fácil maniobra de montaje y desmontaje de los vehículos, para conseguir estas características se diseñó una estructura externa que contenga a una estructura interna.
La estructura externa e interna y los sistemas de apoyo con los que cuenta el remolque son los encargados de soportar las fuerzas ejercidas por la carga. Para conocer la fuerza máxima que soporta la estructura y la fuerza que ejerce la carga sobre la estructura se utilizó la ecuación [7]. Fue importante tomar en cuenta las dimensiones de los dos go karts para tener una idea más clara del modelo de remolque que se necesita.
Se seleccionó materiales adecuados para un correcto desempeño de la estructura del remolque, se tomó en cuenta propiedades mecánicas, físicas y químicas así como también especificaciones de resistencia a la tracción, deformación del material, los esfuerzos que resiste, la elongación. Igualmente se debió considerar la disponibilidad del material en el país, por tanto no hubo mayor dificultad al momento de la elección.
Se utilizó un software de simulación de cargas, en esta herramienta se observó el remolque terminado sin necesidad de haberlo construido, el programa realizó un posible prototipo de cómo es el remolque.
Para la simulación de cargas a las que fue sometido el remolque se utilizó el software Autodesk Fusion 360.
Antes de la construcción fue importante medir el factor de seguridad que tiene la estructura del remolque, para ello se utilizó la ecuación [6]. Para calcular el momento flector del sistema se utilizó la ecuación [4].
Se construyó el remolque utilizando equipos, materiales y herramientas, las cuales se muestra en el (Anexo 6), que sirvieron de apoyo para el ensamblaje de todas las partes estructurales del remolque, para la construcción se tomó en cuenta el diseño y los parámetros obtenidos en el simulador.
13 inercia con la ecuación [10], otro elemento de apoyo implementado fue el sistema de rodaje que incluye al sistema de suspensión, se construyó una rampa para facilitar el ingreso de los vehículos a la plataforma, el piso y los guardafangos laterales construidos de aluminio forman parte de un diseño estético.
14
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA
Se buscó un diseño estructural adecuado para llevar dos go karts, en el mercado existen varios modelos de remolques con diferentes características mecánicas y técnicas, existe un modelo de remolque que fue tomado como modelo base ya que hace eficiente el montaje y desmontaje de los vehículos en su plataforma, en la figura 3 se observa un modelo de remolque existente en el mercado utilizado para llevar motos.
Figura 3. Remolque para motos (Blue Ridge, S.F.)
Se seleccionó este modelo de remolque por la versatilidad, comodidad y seguridad al momento de subir los vehículos a su plataforma sin necesidad de enganchar a los vehículos para montarlos.
El diseño del remolque partió tomando en cuenta las medidas que tienen los go karts así se estableció de manera eficiente el tamaño que tiene el remolque.
En la tabla 2 se observan las dimensiones que tienen los dos go karts y en base a esa información las dimensiones que se le dio al remolque.
Tabla 2. Dimensiones go karts y remolque Dimensiones
Go kart 1 Go kart 2 Remolque estructura
interna Remolque total
Largo 2000 mm 2100 mm 4140 mm 6325 mm (incluye rampa bajada) Ancho 1400 mm 1600 mm 1498.4 mm 1817 mm Alto (a nivel del
15 El remolque consta de una estructura externa y una estructura interna las cuales son las encargadas de soportar el peso de los dos go karts, el funcionamiento de la estructura externa es fijo mientras que la estructura interna es móvil pues el diseño del remolque permitió que la plataforma de la estructura interna baje al ras del piso lo que facilitó y dio eficiencia al montaje y desmontaje de los vehículos en el remolque.
Al tener una idea más clara del modelo de remolque que va a utilizar fue necesario aplicar algunas modificaciones al modelo original como son las dimensiones y pesos de la carga que va a soportar dicho remolque.
Por la longitud del remolque fue necesario implementar dos ejes por lado que sirven como puntos de apoyo de las estructuras, los ejes son individuales, es decir, cada eje es independiente del otro el motivo de seleccionar este tipo de ejes conseguir que la estructura interna desciende al piso.
3.1.1 ESQUEMA DE LA ESTRUCTURA
En la figura 4 se observan los planos con las dimensiones establecidas que se le dio al remolque en un plano de vista superior, en la parte derecha de la figura 4 se observa el trinche de acarreo que es donde se engancha el remolque al vehículo, en el centro de la figura 4 se encuentra la plataforma con la estructura interna del remolque y en la parte izquierda de la figura 4 se muestra la rampa construida para facilitar el ingreso de los go karts a la plataforma.
Figura 4. Plano vista superior del remolque
16 Figura 5. Plano estructura externa del remolque
Figura 6. Plano estructura interna del remolque
Los planos de las figuras 4, 5 y 6 se realizaron en el software AUTOCAD. En la figura 7 se muestra el modelo del remolque en 3D, para este propósito se utilizó el programa de simulación Autodesk Fusion 360.
17 3.1.2. DISTRIBUCIÓN DE CARGAS
El remolque en conjunto fue el encargado de soportar las cargas de los vehículos, se observan las distancias y las cargas que ejerce cada go kart en la viga teniendo en cuenta que cada vehículo tiene 4 apoyos y que la fuerza que ejerce los apoyos traseros son distintos a los apoyos delanteros. Se tomó un porcentaje de fuerzas de 68.07% para el eje trasero y un 31.93% en el eje delantero (Cisneros, 2016). Se tomó en cuenta estos parámetros para asignar a la viga las fuerzas de los apoyos.
Go kart 1
Masa= 70 kg Fuerza = m*g Fuerza = (70kg)*(9.8m/s2)
Fuerza = 686 N
Fuerza ejercida eje trasero (ET)
ET = fuerza * 68.07% ET= (686 n)*(0.6807)
Et= 466.96 N
Fuerza ejercida eje delantero (ED)
ED = fuerza * 31.93% ED = (686 n)*(0.3193)
ED= 219.03 N
Go kart 2
Masa= 80 kg Fuerza = m*g Fuerza = (80kg)*(9.8m/s2)
Fuerza = 784 N
Fuerza ejercida eje trasero (ET)
ET = fuerza * 68.07% ET= (784 n)*(0.6807)
ET= 533.66 N
ET= 533.66 N fuerza ejercida eje delantero (ED)
18 ED = 250.33 N
En la figura 8 se observan las cargas puntuales a las que está sometida la estructura del remolque.
Figura 8. Distribución de cargas en el remolque Cálculo de carga puntual go kart 1
𝐴1 =𝑏 ∗ 𝐵 2 ∗ ℎ
𝐴1 =466,96 𝑁𝑚 + 219.03 𝑁𝑚
2 ∗ 1.38 𝑚
𝐴1 =685.99 𝑁𝑚
2 ∗ 1.38 𝑚
𝐴1 = 473.33 𝑁
𝑃1 = 473.33 𝑁
Centroide trapezoidal P1
𝐶𝑃1 = ℎ 3∗
2𝑏 + 𝐵 𝑏 + 𝐵
𝐶𝑃1 =1.38 𝑚
3 ∗
19 𝐶𝑃1 =1.38 𝑚
3 ∗
905.02 𝑁𝑚 685.99 𝑁𝑚
𝐶𝑃1 = 0.61 𝑚
𝐶𝑃1 = 0.61 𝑚 + 0.45 𝑚
𝐶𝑃1 = 1.060 𝑚
Cálculo de carga puntual go kart 2
𝐴2 =𝑏 ∗ 𝐵 2 ∗ ℎ
𝐴2 =533.66 𝑁𝑚 + 250.33 𝑁𝑚
2 ∗ 1.38 𝑚
𝐴2 =783.99 𝑁𝑚
2 ∗ 1.38 𝑚
𝐴2 = 540.95 𝑁
𝑃2 = 540.95 𝑁
Centroide trapezoidal P2
𝐶𝑃2 = ℎ 3∗
2𝑏 + 𝐵 𝑏 + 𝐵
𝐶𝑃2 =1.38 𝑚
3 ∗
2 (250.33 𝑁𝑚) + 533.66 𝑁𝑚 250.33 𝑁𝑚 + 533.66 𝑁𝑚
𝐶𝑃2 =1.38 𝑚
3 ∗
1034.32 𝑁𝑚 783.99 𝑁𝑚
𝐶𝑃2 = 0.61 𝑚
C𝑃2 = 0.61 𝑚 + 2.73 𝑚
𝐶𝑃2 = 3.340 𝑚
20 Figura 9. Diagrama momento flector y fuerza cortante
∑ 𝐹𝑦 = 0
𝑅𝐴 − 𝑃1 + 𝑅𝐵 – 𝑃2 = 0
𝑅𝐴 + 𝑅𝐵 = 473.33 𝑁 + 540.95 𝑁
𝑅𝐵 = 1014.28 𝑁 − 𝑅𝐴 (1)
∑ 𝑀𝐴 = 0
+(473.33 𝑁 ∗ 1.41 𝑚) + (𝑅𝐴 ∗ 0.64 𝑚) − (540.95 ∗ 0.87 𝑚) = 0
+(667.4 𝑁𝑚) + ( 0.64 𝑚 𝑅𝐴 ) − (470.62 𝑁𝑚) = 0
0.64 𝑚 𝑅𝐴 = 196.78 𝑁𝑚
𝑅𝐴 =196.78 𝑁𝑚 0.64 𝑚
𝑅𝐴 = 307.4 𝑁
21 𝑅𝐵 = 1014.28 𝑁 + 𝑅𝐴
𝑅𝐵= 1014.28 𝑁 − 307.4 𝑁
𝑅𝐵 = 706.88 𝑁
En la figura 10 se muestra un diagrama de cuerpo libre de la sección que se seleccionó para el cálculo de fuerza cortante y momento flector.
Figura 10. Diagrama cuerpo libre de fuerza cortante y momento flector
∑ 𝐹𝑦 = 0
− 𝑉 − 706.83 𝑁 + 540.95 𝑁 = 0
− 𝑉 = 706.83 𝑁 − 540.95 𝑁
𝑉 = −165.88 𝑁
∑ 𝑀 = 0
𝑀 − 𝑉 ∗ 𝑥 + 𝑃2 ∗ 0.87 𝑚 = 0
𝑀 − 165.88 𝑁 ∗ 𝑥 + 540.95 𝑁 ∗ 0.87 𝑚 = 0
𝑀 = −470.63 𝑁
3.2 SELECCIÓN DEL MATERIAL
3.2.1 SELECCIÓN DEL TIPO DE ACERO
22 go karts, para lo cual se seleccionó un tubo estructural negro cuadrado de acero ASTM A36 como se observa en la figura 11, este tipo de acero se rige a la norma INEN 2415 de los aceros estructurales, y se observa en el (Anexo 7), debido a las especificaciones y características mecánicas, físicas y químicas, su alta soldabilidad como se muestra en el (Anexo 3), lo hacen un material idóneo además que la disponibilidad de este tipo de acero en territorio ecuatoriano es inmediata pues en la mayoría de empresas distribuidoras de acero lo tiene en venta al público.
Figura 11. Tubo estructural cuadrado, norma de fabricación INEN 2415 (DIPAC, 2016)
En la figura 12 se observa que en la gráfica esfuerzo - deformación se menciona distintos tipos de acero con lo que se llegó a contar pero factores como las características o especificaciones distintas al A36 hacen que estos tipos de aceros no sean aptos para ser tomado en cuenta para la construcción del remolque, también un limitante de algunos tipos de aceros mencionados en el gráfico no se encuentren disponibles en el mercado o su gran costo lo hacen salir del presupuesto del presente proyecto.
23 La selección se basó también en el grado de resistencia del material de acuerdo al contenido de carbono que contenga como se observa en la figura 13, estos parámetros ayudaron en el análisis de qué tan resistente sería el acero A36 y la elongación máxima que debe soportar bajo la acción de los esfuerzos y su resistencia acorde al contenido de carbono.
Figura 13. Contenido de carbono en la resistencia de los aceros (AHMSA, 2009)
Una especificación importante que el material a seleccionar tuvo que cumplir es la soldabilidad al momento de la unión, buscando así que ésta sea la más alta posible puesto que al juntar los tubos cuadrados de acero deba tener una alta resistencia en los puntos y cordones soldados, considerando que la mayoría de la estructura va unida mediante proceso de soldadura GMAW se evaluó la capacidad de soldadura del acero mediante su contenido de carbono como se muestra en la tabla 3, para conocer tipo de acero más competente para el diseño de las estructuras del remolque.
Tabla 3. Soldabilidad del acero en función del carbono equivalente
Denominación C Dureza Aplicaciones Soldabilidad
Bajo carbono < 0.15% 60 HRB Aplicaciones
especiales Excelente
Acero 0.15- 0.30 90 HRB Estructuras Buena
Mediano
carbono 0.30-0.50 25 HRC
Elementos de máquinas y herramientas
Regular
Alto carbono 0.5-1.0 40 HRC
24 3.2.2 SELECCIÓN DEL ALUMINIO
Para la selección del tipo de aluminio que se utilizó en el piso del remolque y tomando en cuenta las especificaciones del (Anexo 4) se consideró que la plancha de aluminio antideslizante de 1.5mm de espesor es ideal para colocarla en la superficie de la estructura interna del remolque, gracias a su bajo peso en comparación al peso de una plancha de acero lo hace un material idóneo para este proyecto, la rampa trasera del remolque también fue ensamblada en aluminio, en la figura 14 se observan algunas características y aplicaciones de la plancha de aluminio corrugado.
Figura 14. ASTM A1200 - TEMPLE H-18 (DIPAC, 2016)
La plancha de aluminio fue sujetada en la estructura interna del remolque y ahí es donde se apoyan las ruedas de los go karts, en la figura 15 muestra un gráfico de la curva de esfuerzo-deformación de aleaciones del aluminio.
25
3.3 SIMULACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL REMOLQUE
Para la simulación de las estructuras del remolque se tomó en cuenta como un solo conjunto ensamblado, se estableció este parámetro para la simulación ya que el conjunto total es el encargado de soportar el peso de los dos go karts.
Para las simulaciones se utilizó el programa Autodesk Fusion 360 para crear un diseño 3D del remolque.
Al utilizar el catálogo de aceros del (Anexo 3) de IPAC establece que el módulo de sección elástico o módulo de resistencia del tubo cuadrado de acero de 2
pulgadas de 3 mm de espesor que es de 7.80 cm3, Utilizando la ecuación [4]
de la página 7 se calculó el esfuerzo máximo de la viga.
𝜎𝑚á𝑥 = 𝑀 𝑆
𝜎𝑚á𝑥: Esfuerzo máximo en la viga
𝑀: Momento flector en la sección de interés
𝑆: Modulo de sección elástico 𝑠 = 7.80 cm3
𝜎𝑚á𝑥=
470.63 𝑁
7.80 cm3∗ 1 m3 (100)3cm3
𝜎𝑚á𝑥 = 60.33 𝑀𝑃𝑎
El diseño constructivo del remolque arrojó varios parámetros de construcción mostrando que es capaz de resistir la fuerza máxima que se le aplicaría de acuerdo al detalle de distribución de cargas, el esfuerzo máximo que soporta el remolque que es de 60.33 MPa en el cálculo, este valor obtenido se compara con el valor que arrojó la simulación, como se observa en la figura 16 el esfuerzo máximo que soporta la estructura del remolque es de 62.05 MPa.
26 Para el cálculo del factor de seguridad se hace uso de la ecuación [6] de la página 10, considerando que el límite de fluencia del acero seleccionado para la construcción del remolque es 250MPa. la misma que se encuentra en el (Anexo 3), El resultado obtenido en el cálculo se acerca al resultado arrojado por el simulador como se observa en la figura 17. Se concluyó que la estructura está dentro de un rango aceptable de factor de seguridad.
𝑛 = 𝑆 𝜎
Donde:
𝑛: Factor de seguridad o diseño
𝑆: Resistencia de pérdida de la función o límite de fluencia 𝜎: Esfuerzo permisible
𝑛 = 250 𝑀𝑃𝑎 60.33 𝑀𝑃𝑎
𝑛 = 4.14
Figura 17. Factor de seguridad de la estructura del remolque
El factor de seguridad calculado es de 4.14 mientras que el factor de seguridad que el simulador arrojó es de 4, para la construcción de cualquier estructura es necesario que ésta brinde las seguridades necesarias
27 Figura 18. Desplazamiento de la estructura del remolque
En la tabla 4 se realizó una comparación de los valores obtenidos mediante cálculos con los valores que arrojó el simulador.
Tabla 4. Comparación de resultados
Parámetro Diseño inicial calculado Prueba/simulación
Factor de
seguridad 4.029 4.0
Esfuerzo
máximo 62.5 MPa 62.05 MPa
Desplazamiento 5 mm 4.3 mm
3.4 CONSTUCCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS DEL REMOLQUE
El proceso de construcción de las estructuras del remolque constó de varias etapas para lograr el diseñado esperado como se muestra en la figura 19, se tomó en cuenta las medidas de acuerdo a los planos de construcción utilizando el material analizado en la sección 3.2 del documento.
Para la construcción del remolque de manera segura y eficiente se contó con los equipos, máquinas y herramientas necesarias y detalladas en el (Anexo 6), además de contar con el personal calificado para el manejo de dichos equipos, de igual manera se contó con el equipo de protección personal (EPP) adecuado para cada una de las etapas de construcción.
Figura 19. Etapas construcción del remolque Construcción Estructura
Externa
Construcción Estructura
Interna
28 3.4.1 CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA EXTERNA
La construcción de la estructura externa se realizó con tubo de acero negro estructural cuadrado de 2” por 3 mm de espesor, en la figura 20 se observa la construcción de la estructura externa tomando en cuenta las dimensiones de la figura 5.
Figura 20. Estructura externa del remolque
La tabla 5 muestra los parámetros que se configuraron en el equipo de soldadura GMAW de acuerdo al material que se utilizó y al diámetro del mismo.
Tabla 5. Parámetros de soldadura proceso GMAW de acuerdo al material seleccionado Espesor del material (mm) Diámetro del electrodo (mm) Amperaje en CC Voltaje en CC Velocidad de avance (m/min) Gas (lts/min) 3.17 1.2 120-180 20-23 0.37 – 0.50 9-13
La estructura de la figura 21 contiene aproximadamente 4 tubos cuadrados de 6 m de largo, la estructura está conformada por el triángulo de tiro y dos largueros principales donde se apoyan 2 arcos de tubo redondo de 2” por 3 mm de espesor, la estructura del trinche también se construyó con el tubo de 2” por 3mm de espesor.
Se seccionó los tubos cuadrados con ayuda de una amoladora estática de acuerdo a las dimensiones de la figura 5, además se soldó los largueros adicionales que forman parte de la estructura externa como diseño estético como muestra la figura 21.
29 Se consideró como parámetro de funcionamiento que al momento de montar los vehículos a la plataforma, el piloto puede ingresar conduciendo el go kart, es por ello que se tomó en cuenta la altura que tiene el piloto sobre en el vehículo que fueron 850 mm desde el nivel del suelo hasta el final de la cabeza, el arco trasero tiene una elevación de 1000 mm dando una tolerancia de 150 mm dependiendo la altura del piloto del momento. El arco que se encuentra en el medio de la estructura no tuvo la necesidad de levantarlo demasiado, la razón fue que al momento en que la plataforma se encuentra en el piso la estructura externa en la parte central se eleva por lo tanto el arco central también se eleva a unos 1100 mm desde el nivel del piso por lo que el piloto no tuvo ningún problema al momento de ingresar los go karts conduciéndolos sobre la plataforma.
3.4.2 CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA INTERNA
La construcción de la estructura interna se realizó con tubo de acero negro estructural cuadrado de 2” por 3 mm de espesor, en la figura 22 se muestra la construcción de la estructura tomando en cuenta las dimensiones de la figura 6.
Figura 22. Estructura interna del remolque
30 En la figura 23 se observa el aluminio antideslizante instalada la estructura interna.
Figura 23. Montaje de las planchas de aluminio en la estructura interna
La sujeción de las planchas de aluminio con la estructura interna se realizó primero con una silicona especial para fijar el aluminio antideslizante en el acero y después con ayuda de una remachadora se unió los dos materiales en un solo conjunto.
Al tener listas las dos estructuras, se ensamblaron para conseguir tener un solo conjunto, se unió las estructuras mediante dos pines móviles de sujeción en la parte posterior en cada extremo de la estructura, este pin permite que el diseño inicial tome forma ya que la estructura interna tiene fácil movimiento de elevación y descenso que era lo que se requería para el modelo de remolque que se deseaba construir.
En la figura 24 se observan las dos estructuras ensambladas en un solo conjunto.
31 El pin de sujeción trasero se realizó implementando un bocín soldado a las dos estructuras que contenía un eje de acero de 1 pulgada, este sistema de movimiento hace que la elevación y el descenso de la estructura interna sea seguro y estable.
3.4.3 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN
El modelo del remolque estuvo basado por el diseño de la figura 3, para conseguir este modelo fue necesario implementar cojinetes o bufa de rueda y puntas de eje independientes.
Por la longitud del remolque fue necesario implementar 4 apoyos, 2 de cada lado, en el mercado fue difícil encontrar este tipo de cojinetes de ruedas y puntas de eje individuales, se logró conseguir 4 elementos de segunda mano del vehículo marca: Hyundai, modelo: i10.
En la figura 25 se observa un cojinete de rueda y punta de eje de 4 pernos para un aro rin 13.
Figura 25. Cojinete de rueda y punta de eje
Se adquirió 4 cojinetes de ruedas y puntas de eje del mismo modelo. Como se muestra en la figura 26 fue necesario utilizar un torno para desbastar de manera exacta el armazón que contiene a la punta de eje hasta dejarla a la medida del tubo de 2”.
32 Figura 26. Desbaste del armazón de punta de eje
El resultado de cómo quedaron los cojinetes de ruedas y puntas de eje se observa en la figura 27.
Figura 27. Cojinetes de ruedas y puntas de eje con refuerzo
33 Figura 28. Montaje de cojinetes de ruedas y puntas de eje
Las bases donde se apoyan las puntas de eje consiguieron levantar la altura de la plataforma de 300 mm a 450 mm desde el nivel del piso.
En la figura 29 se observa el neumático seleccionado de acuerdo a la masa del remolque cargado es de aproximadamente 460 kg o 1014,13 libras, además la velocidad con la que se moviliza el remolque no debe pasar los 70 km/h que es lo que indica en la LOTTTSV como se muestra en el (Anexo 10), en el (Anexo 8) se observan las diferentes características de neumáticos que existen, en la tabla 6 se muestra los parámetros elegidos para el neumático seleccionado.
Tabla 6. Índices de carga y velocidad seleccionada Índice de carga Índice de velocidad
Código Libras Kilogramos Código mph km/h
82 1047 462 T 118 190
Ancho del neumático: 175
Alto del flanco: 70
Construcción: Radial
Diámetro: 13 pulgadas
34 Con las características necesarias y establecidas se buscó en el mercado nacional un neumático que se acerque a las propiedades necesarias expuestas en la tabla 6.
El neumático es otro elemento de suspensión con la que cuenta el remolque, es por ello que se eligió un neumático que tenga un perfil elevado, pues la presión de los neumáticos influye en la absorción de impactos y golpes que genere el paso del remolque por las diferentes vías en la que se movilice.
3.5 IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS DE APOYO
Por el diseño del remolque se estableció la necesidad de implementar algunos sistemas independientes a la estructura para lograr el funcionamiento óptimo del remolque.
3.5.1 WINCHA DE ENGRANAJES
La utilización de una wincha de engranajes para el correcto funcionamiento del remolque fue fundamental, sin este accesorio la operación de descenso de la estructura interna del remolque no podría ser posible. Considerando que la masa de la estructura interna del remolque es de 145 kg aproximadamente añadido la masa de 150 kg de los dos go karts se necesitaba una wincha que por lo menos levante 295 kg, es decir una fuerza de 2891 N, en el mercado no existe una wincha determinada para este valor por lo que nos regimos a lo que se encuentra en el mercado.
Se adquirió una wincha de 1000 libras de capacidad, que son 453 kg, así se dio un rango de tolerancia adecuado, además se instaló en la wincha un cable de acero de 7/32 pulg de diámetro que tiene una capacidad de carga de de aproximadamente 5000 libras (Anexo 9), de igual forma este cable se lo puede encontrar en el mercado.
En la figura 30 se observa la parte donde fue instalada la wincha además de la tarea que debe cumplir en el funcionamiento del remolque.
35 La tensión que se produce en el cable de acero fue calculada mediante sumatoria de fuerzas. En la figura 31 se muestra el diagrama de cuerpo libre del sistema de elevación de la wincha.
Figura 31. Diagrama de cuerpo libre tensión sistema de elevación
La velocidad de 0.5 m/s se calculó tomando el tiempo de 36 segundos que se demoró la plataforma en descender al piso y una distancia de 1400 mm.
1400 mm ≈ 1.4 m
𝑉 = 𝑑 ∗ 𝑡 Donde:
𝑉: Velocidad 𝑑: Distancia 𝑡: Tiempo
𝑉 = 1.4 𝑚 ∗ 0.36 𝑠𝑒𝑔
𝑉 = 0.5𝑚 𝑠
Se consideró que la wincha baja y sube la plataforma a una velocidad constante de 0.5 m/s por lo tanto la aceleración en el cálculo es 0
∑ 𝐹𝑦 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 ∗ 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝑇 − 𝑊 = 0
𝑇 = 𝑊(𝑊 = 𝑚 ∗ 𝑔)
𝑇 = 𝑚 ∗ 𝑔
𝑇 = 350 𝑘𝑔 ∗ 9.8𝑚 𝑠2
36 Si consideramos que la tensión que ocurre en el sistema de elevación es de 3430 N y este valor lo transformamos primero a kilogramos y luego a libras el valor que se obtiene es de 771,61 libras por consiguiente y observando las especificaciones del (Anexo 9) el cable de acero debe soportar sin problema la tensión a la que estuvo expuesta.
Existe una relación de trasmisión de los engranes según el catálogo de la wincha que se muestra la figura 32.
Figura 32. Especificaciones wincha (WINCH, S.F.)
3.5.2 EJE ROSCADO Y PIE DE APOYO
Para la elevación de la parte delantera del remolque fue necesario implementar un sistema de apoyo para la funcionalidad del remolque, sin este sistema el diseño del remolque no sería eficiente ya que la estructura externa no se elevaría y como consecuencia la estructura interna no descendería en su totalidad al de piso.
En la figura 33 se observa el eje roscado que estaba disponible en el mercado tiene un diámetro de 15
8 de pulgada con una rosca en forma trapezoidal, este
37 Figura 33. Eje roscado
Otro elemento necesario para ayudar a elevar el remolque hacia la bola de tiro del vehículo que se encarga de acarrear el remolque fue un pie de apoyo estándar para remolques.
El pie de apoyo tiene que elevar 460 kg que es el peso total del remolque cargado, en el mercado no existe un pie de apoyo que eleve esa cantidad de carga por lo que se seleccionó un pie de apoyo que eleve una cantidad cercana al valor decretado, así pues se seleccionó un pie de apoyo con una capacidad de carga de 0.75 toneladas, este pie de apoyo está dentro de los parámetros del diseño.
3.5.3 SELECCIÓN DEL ACOPLE Y BOLA DE ENGANCHE
Se conoció que la masa del remolque cargado es de 460 kg (310 kg masa del remolque y 150 masa de la carga) y que la velocidad máxima a la que puede circular el vehículo que acarrea el remolque es de 70 km/h que es igual a 19.4 m/s y se consideró que el vehículo demora 18,3 segundo en tener dicha velocidad.
Paca calcular la fuerza que se necesitó para mover el remolque necesitamos calcular la aceleración a la que ira el remolque para ello se utilizó la ecuación [9] de la página 10.
𝑎 =𝑉𝑓− 𝑉𝑖 𝑡
Donde:
38 𝑉𝑓: Velocidad Final
𝑡: Tiempo
Se tomó en cuenta que parte del reposo por lo que la velocidad inicial es 0.
𝑎 =19.4 𝑚
𝑠 − 0 𝑚
𝑠 18.3 𝑠𝑒𝑔
𝑎 = 1.06 𝑚 𝑠2
Una vez que se tuvo la aceleración procedimos a calcular la fuerza que se necesitó para mover el remolque utilizando la ecuación [8] de la página 10, de debe considerar que el remolque siempre esta acarreado de manera lineal por el vehículo que lo moviliza.
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎
Donde:
𝐹
: Fuerza𝑚: Masa
𝑎: Aceleración
𝐹 = 460 𝑘𝑔 ∗ 1.06 𝑚 𝑠2
𝐹 = 487.6 𝑘𝑔 ∗ 𝑚 𝑠2
𝐹 = 488 N
Conociendo la fuerza que se necesitó para mover el remolque se calculó el trabajo que se necesitó para vencer la inercia del remolque y para ello se utilizó la ecuación [10] de la página 11.
Para conocer el desplazamiento se utilizó la ecuación [11] de la página 11.
𝑑 = (𝑉𝑓+ 𝑉𝑖 2 ) ∗ 𝑡
Donde:
𝑑: Desplazamiento que experimenta el cuerpo
39 𝑑 = (19.4
𝑚 𝑠 + 0
𝑚 𝑠
2 ) ∗ 18.3 𝑠
𝑑 = (9.7 𝑚
𝑠) ∗ 18.3 𝑠
𝑑 = 177.51 𝑚
El desplazamiento reemplazamos en el ecuación [10] de la página 10.
𝑊 = 𝑓 ∗ 𝑑
Donde: 𝑊: Trabajo 𝑓: Fuerza
𝑑: Desplazamiento que experimenta el cuerpo
El desplazamiento calculado es de 177.51 m y La fuerza calculada es de 488 N
𝑊 = 488 𝑁 ∗ 177.51 𝑚
𝑊 = 86624.8 𝐽
El trabajo que se necesitó para que el remolque venza la inercia es de 86624.8 J.
La fuerza que se necesitó para mover el remolque es de 488 N esto es igual a 49.79 kg para saber que acople se necesita es necesario transformar los kg a libras.
1kg = 2.20 lb
49.79 𝑘𝑔 |2.20
1 𝑘𝑔| = 108.64 lb
Si la masa del remolque cargado es de 460 kg trasformando este valor a libras.
460 𝑘𝑔 |2.20
1 𝑘𝑔| = 1012 lb
40 Figura 34. Acoples existentes en el mercado
(Libre, S.F.)
La medida de acople seleccionado y de acuerdo a la fuerza y masa que debe soportar movilizar es de de 17
8 x 2 plg que tiene una capacidad de 2000 lb lo que garantizó que soportara de manera eficiente el acarreo del vehículo tracto. Seleccionada la medida del acople se seleccionó la medida correspondiente de la bola de acarreo en la figura 35 se muestra el catálogo de bolas que existe en el mercado.
Figura 35. Catálogo de bolas de acople para remolques (Libre, S.F.)
41 Figura 36. Sistemas de apoyo
3.5.4 RAMPA DE ACCESO
La distancia que existe del suelo al chasis de un go karts en su parte más baja es de apenas 20 mm de alto es por eso que se requiere una rampa de aproximadamente 1000 mm para compensar la altura del go karts y que éste ingrese a la plataforma con el piloto sin problemas
En la figura 37 se muestra la rampa instalada en el remolque.
Figura 37. Rampa de acceso 3.5.5 SISTEMA DE ILUMINACIÓN
El sistema de iluminación del remolque se apegó a la Norma INEN 1155, se utilizó aproximadamente 28 metros de alambre de cobre flexible número 16 para el sistema eléctrico del remolque, fue instalado exclusivamente para la Iluminación posterior del mismo,
42 Además posee un conector macho/hembra para facilitar la conexión al vehículo que acarrea el remolque.
Es importante implementar en la parte posterior del remolque dos franjas adhesivas reflejantes que ayudaran en las noches a alumbrar y visibilizar de mejor manera al remolque esto con la ayuda la luz que emite los vehículos que vayan atrás del remolque en la noche.
En la tabla 7 se encuentran características de cada categoría de focos con lo que cuenta el sistema de iluminación del remolque.
Tabla 7. Estandarización de bombillas de filamento Categoría Soporte Número de
filamentos
Características eléctricas
Comentari
os Ubicación
P21W BA15s 1
6V/21W, 12V/21W, 24V/21W Denominaci ón antigua: P25-1 Luces direccional es
P21/5W BAY15d 2
6V/21W(Filamento principal)/5W(Filamento secundario), 12V/21W(Filamento principal) 5W(Filamento secundario), 24V/21W(Filamento principal)/5W(Filamento secundario) Denominaci ón antigua: P25-2 Luces guías, luces de freno (UNECE, 2012)
La ecuación [12] de la página 11 se utilizó para calcular el amperaje de cada foco con que cuenta el sistema de iluminación del remolque y tomando en cuenta los parámetros de la tabla 7.
𝑃 = 𝐸 ∗ 𝐼
Donde: 𝑃: Potencia 𝐸: Voltaje
𝐼: Intensidad de Corriente
Para el foco P21W y tomando en cuenta que la batería del vehículo acarreador es de 12 V se tiene que la potencia es de 21 W como muestra la tabla 7. Cálculo del filamento principal
𝐼 =𝑃 𝐸
43 𝐼 = 1.75 𝑎𝑚𝑝
1.75 amp es la intensidad de corriente que consumen los focos de las direccionales cada vez que se enciendan.
Para el foco P21/5W de dos filamentos que se utilizó para las luces guías y luces de freno se utilizó la ecuación [12] de la página 11 para determinar el amperaje de cada filamento.
Cálculo del filamento principal
𝐼 =𝑃 𝐸
𝐼 =21 𝑊 12 𝑉
𝐼 = 1.75 𝑎𝑚𝑝
Cálculo del filamento secundario
𝐼 =𝑃 𝐸
𝐼 = 5 𝑊 12 𝑉
𝐼 = 0,41 𝑎𝑚𝑝
Los valores obtenidos muestran la intensidad de corriente que cada foco consume de la batería.
Se tomó en cuenta que el sistema eléctrico del remolque es solo una extensión del sistema de iluminación del vehículo que acarrea al remolque y que se conecta por medio de sockets instalados.
