UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA DE UN
VEHÍCULO MONOPLAZA PARA LA COMPETENCIA
FÓRMULA SAE.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
ANDRÉS FERNANDO MESA MUÑOZ
DIRECTOR: ING. MILTON REVELO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2017
FÓRMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1720996287
APELLIDO Y NOMBRES: Mesa Andrés Fernando
DIRECCIÓN: Lulumbamba S1-105 y Av. Equinoccial
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: (02) 2 398 824
TELÉFONO MOVIL: 0984276907
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Diseño y construcción de la estructura de un
vehículo monoplaza para la competencia fórmula SAE.
AUTOR: Andrés Fernando Mesa Muñoz
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: MARZO 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Milton Revelo
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN:
En el siguiente proyecto se detalló el diseño y construcción de un bastidor para vehículo tipo fórmula SAE. El bastidor estuvo estructurado en base a normas, restricciones y disposiciones establecida por la SAE y las cuales se deben cumplir para garantizar la eficacia y seguridad en los demás sistemas y evitar sanciones en caso de que se llegara a competir. Se consiguió un menor peso y un menor costo de la estructura, tomando en cuenta las diferentes alternativas de precio y espesores de materiales existentes en el mercado local y que además cumplan con el reglamento. Se realizó bocetos para definir espacios para los diferentes sistemas que lo componen y que se montaran en la estructura. Se consideró las restricciones para la simulación, una vez que se simuló el comportamiento de la estructura, se obtuvo un diseño óptimo para proceder a la construcción definitiva del modelo de la
estructura. En la construcción se empezó cortando los tubos a medida con amoladora y con sus extremos en forma de boca de pescado, para obtener una unión de soldadura uniforme, el doblado de los arcos y otras piezas se realizó en una dobladora hidráulica. Se realizó puntos de suelda en ciertas uniones para ir armando la estructura, además el proceso de soldadura que se utilizó para el bastidor monocasco, en la unión de tubos fue la soldadura MIG. Para verificar que la soldadura este sellada se realiza una prueba de tintes penetrantes. El bastidor estuvo constituido por una estructura de acero tubular lo cual favorece en rigidez.
PALABRAS CLAVES: Bastidor, fórmula, estructura, soldadura, simulación
ABSTRACT:
The following project detailed the design and construction of a vehicle frame type formula SAE. The frame was structured according to norms, restrictions and dispositions established by the SAE and which must be fulfilled to guarantee the efficiency and safety in the other systems and to avoid penalties in the event that in the future, it will be competed. A lower weight and a lower cost of the structure were obtained, taking into account some of the different price alternatives and thicknesses of materials existing in the local market and that also complied with the regulation. Sketches were made to define spaces for the different systems that constituted it and were mounted on
the frame structure. Simulation
constraints were considered, once the behavior of the structure was simulated, a
suitable design was obtained that
supported the other systems of the frame
and proceeded to the definitive
weld was sealed when the penetrating dye test was performed. The frame was constituted by a structure of tubular steel which favors in stiffness.
KEYWORDS Frame, formula, structure, welding, simulation
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
f:__________________________________________ MESA MUÑOZ ANDRES FERNANDO
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, MESA MUÑOZ ANDRES FERNANDO, CI 1720996287 autor del proyecto titulado:
Diseño y construcción de la estructura de un vehículo monoplaza para la competencia fórmula SAE. 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, marzo del 2017.
f:__________________________________________ MESA MUÑOZ ANDRES FERNANDO
Quito, marzo del 2017.
DECLARACIÓN
Yo ANDRÉS FERNANDO MESA MUÑOZ, 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.
_________________________
Andrés Fernando Mesa Muñoz
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y construcción de la estructura de un vehículo monoplaza para la competencia Fórmula SAE”, que, para aspirar al título de INGENIERO AUTOMOTRIZ, fue desarrollado por ANDRÉS FERNANDO MESA MUÑOZ, 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.
Ing. Milton Revelo
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Dedico esta tesis a Dios por darme la vida y darme las fuerzas necesarias para seguir adelante permitiéndome llegar hasta este momento importante en mi vida profesional.
A mis padres Rubén y Anita por ser los pilares más importantes en mi vida que con sus consejos, comprensión, cariño, amor y sobre todo su apoyo incondicional me ayudaron a lograr un objetivo más en mi vida.
A mis hermanas Caro y Salo por estar siempre conmigo, acompañándome para poder cumplir mi meta. A mi sobrino Julián quien es mi motorsito, motivación y felicidad.
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios por darme la vida y unos padres que me brindaron tiempo, apoyo y confianza durante toda mi vida y enseñarme a luchar por cada uno de mis objetivos sin importar la dificultad que estos tengan y siempre mantener la fe y perseverancia.
A mis hermanas Salo y Caro, a mi novia Carolina por su apoyo en todo momento y demostrarme que siempre se puede llegar a donde uno se propone.
A mis abuelitos y tíos que por ellos soy lo que soy y por estar siempre apoyándome y dándome consejos cuando más lo necesitaba.
A mis compañeros del proyecto por compartir conocimientos, experiencias y opiniones durante el desarrollo del mismo.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 3
2. METODOLOGÍA 8
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 14
3.1 TIPOSDEBASTIDORES 14
3.1.1 BASTIDOR ESTRUCTURAL CON TUBOS DE
ACERO 14
3.1.2 BASTIDOR MONOCASCO 15
3.2 SELECCIÓN DEL DISEÑO DE LA ESTRUCTURA 15
3.3 CARGAS PRESENTES EN UN BASTIDOR 16
3.3.1 RIGIDEZ TORSIONAL 16
3.3.2 FLEXIÓN VERTICAL 17
3.3.3 FLEXIÓN LATERAL 18
3.3.4 DEFORMACIÓN HORIZONTAL 18
3.3.5 CARGAS LOCALES 19
3.3.6 CARGAS DE TRAYECTORIA 19
3.4 SELECCIÓN DEL MATERIAL DE LA ESTRUCTURA 19 3.5 DIMENSIÓN DE DIÁMETROS Y ESPESOR DE LOS
TUBOS DE LA ESTRUCTURA 21
3.6 CROQUIS DE LA ESTRUCTURA TUBULAR 22
3.7 ESTRUCTURADODELBASTIDOR 23
3.8 DISTANCIAENTRE EJESYANCHODEVÍASDELA
ESTRUCTURA 25
3.9 DATOS PARA REALIZAR LOS CÁLCULOS DEL BASTIDOR 26
3.9.1 CÁLCULO DE RÍGIDEZ TORSIONAL 27
3.9.2 DISTRIBUCIÓN DE PESOS DEL VEHÍCULO 27 3.9.3 CÁLCULO DE LA DISTANCIA DEL CENTRO DE
GRAVEDAD AL EJE POSTERIOR 28
3.9.4 CÁLCULO PARA LA REACCIÓN EN CADA EJE
DEL VEHÍCULO 29
3.9.5 CÁLCULO PARA LA PRUEBA DE ANTIVUELCO
DEL MONOPLAZA 29
3.10 SIMULACIÓN DE TORSIÓN DE LA ESTRUCTURA. 30
ii
3.12 CORTE DE MATERIAL 31
3.13 DOBLADO DE LOS TUBOS 32
3.14 TIPOSDEPROCESODESOLDADURA 32
3.14.1 PROCESO DE SOLDADURA TIG 33
3.14.2 PROCESO DE SOLDADURA CON ARCO DE
PROTECCIÓN 33
3.15 SELECCIÓN DEL PROCESO DE SOLDADURA 35
3.15.1 PUNTEADO DE SOLDADURA MAG 36
3.16 PROCESODECONSTRUCCIÓNDELBASTIDOR 36
3.16.1 BASE DEL BASTIDOR 36
3.16.2 ARCO FRONTAL DEL BASTIDOR 37
3.16.3 ARCO DELANTERO DEL BASTIDOR 38
3.16.4 ARCO PRINCIPAL DEL BASTIDOR 38
3.16.5 PROTECCIÓN LATERAL DE IMPACTO 39
3.16.6 TRIANGULACIÓN DEL BASTIDOR 40
3.17 COMPROBACIÓN DE LA SOLDADURA 40
3.18 CARROCERÍA DEL MONOPLAZA 43
3.19 COSTO DE LOS MATERIALES PARA LA CONTRUCCIÓN
DELBASTIDOR 44
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 45
4.1 CONCLUSIONES 45
4.2 RECOMENDACIONES 46
5. BIBLIOGRAFIA 47
iii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA Tabla 1. Masas Principales del vehículo 9
Tabla 2. Propiedades tubo SAE 1010 20
Tabla 3. Propiedades tubo AISI 4130 20
Tabla 4. Propiedades químicas del acero ASTM A500 grado A 21
Tabla 5. Propiedades mecánicas del acero ASTM A500 grado A 21
Tabla 6. Aplicación, diámetros y espesores 22
Tabla 7. Datos para cálculos 26
Tabla 8. Diferencia entre MIG Y MAG 34
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA Figura 1. Tubos especificados por la norma SAE 8
Figura 2. Bosquejo del piso del bastidor 10
Figura 3. Distribución de masas principales 10
Figura 4. Posición tentativa del piloto 11
Figura 5. DCL del bastidor vista lateral 12
Figura 6. DCL prueba antivuelco 13
Figura 7. Bastidor estructural con tubos de acero 14
Figura 8. Bastidor monocasco del equipo de la universidad ETH Zurich 15
Figura 9. Bastidor estructural con tubos de acero 16
Figura 10. Rigidez torsional a un bastidor monocasco 17
Figura 11. Flexión vertical de un bastidor 17
Figura 12. Flexión lateral en curvas 18
Figura 13. Deformación horizontal de un bastidor 19
Figura 14. Croquis del bastidor SW 2016 22
Figura 15. Boceto para insertar los tubos 23
Figura 16. Diseño del bastidor estructurado 23
Figura 17. Propiedades físicas del modelo del bastidor 24
Figura 18. Vista lateral de la ubicación del CG 24
Figura 19. Vista frontal de la ubicación del CG 25
Figura 20. Distancia entre ejes o batalla 25
Figura 21. Distancia del ancho del eje 26
Figura 22. Distancia del CG al eje posterior 28
Figura 23. Aplicación de cargas para determinar la rigidez del bastidor 30
Figura 24. Simulación de aceleración 31
Figura 25. Corte en forma de boca de pescado 31
Figura 26. Doblado de tubo con dobladora hidráulica 32
Figura 27. Tubo doblado 32
Figura 28. Soldadura TIG 33
Figura 29. Soldadura MIG 34
Figura 30. Soldadura MAG con CO2 35
Figura 31. Cordón de soldadura MIG 35
Figura 32. Punteado de soldadura 36
Figura 33. Piso del bastidor 37
Figura 34. Construcción del arco frontal 37
Figura 35. Ensamble del arco delantero 38
Figura 36. Construcción del arco principal 39
Figura 37. Construcción de la protección lateral de impacto 39
Figura 38. Ensamble del bastidor 40
Figura 39. Kit de líquidos penetrantes 41
v
Figura 41. Líquido limpiador 42
Figura 42. Líquido penetrante 42
Figura 43. Líquido detector 43
vi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA Anexo 1. Reglamento fórmula sae en español 49
Anexo 2. Planos del bastidor 78
Anexo 3. Esquema del bastidor (vista frontal y lateral) 79
1
RESUMEN
En el siguiente proyecto se detalló el diseño y construcción de un bastidor para vehículo tipo Fórmula SAE. El bastidor estuvo estructurado en base a normas, restricciones y disposiciones establecidas por la SAE y las cuales se deben cumplir para garantizar la eficacia y seguridad en los demás sistemas y evitar sanciones en caso de que en un futuro, se llegue a competir. Se consiguió un menor peso y un menor costo de la estructura, tomando en cuenta algunas de las diferentes alternativas de precio y espesores de materiales existentes en el mercado local y que además cumplieron con el reglamento. Se realizó bocetos para definir espacios para los diferentes sistemas que lo constituyeron y que se montaron en la estructura del bastidor. Se consideró las restricciones para la simulación, una vez que se simuló el comportamiento de la estructura, se obtuvo un diseño apto que soportó los demás sistemas del bastidor y se procedió a la construcción definitiva del modelo de la estructura. En la construcción se cortaron los tubos a medida establecidas previamente, con amoladora y con sus extremos en forma de boca de pescado, y así se obtuvo una unión de soldadura uniforme, el doblado de los arcos y otras piezas se realizó en una dobladora hidráulica. Se realizó puntos de suelda en ciertas uniones para ir armando la estructura, además el proceso de soldadura que se utilizó para la estructura tubular en la unión de tubos fue la soldadura MIG. Se verificó que la soldadura esta sellada cuando se realizó la prueba de tintes penetrantes. El bastidor estuvo constituido por una estructura de acero tubular lo cual favorece en rigidez.
2
ABSTRACT
The following project detailed the design and construction of a vehicle frame type Fórmula SAE. The frame was structured according to norms, restrictions and dispositions established by the SAE and which must be fulfilled to guarantee the efficiency and safety in the other systems and to avoid penalties in the event that in the future, it will be competed. A lower weight and a lower cost of the structure were obtained, taking into account some of the different price alternatives and thicknesses of materials existing in the local market and that also complied with the regulation. Sketches were made to define spaces for the different systems that constituted it and were mounted on the frame structure. Simulation constraints were considered, once the behavior of the structure was simulated, a suitable design was obtained that supported the other systems of the frame and proceeded to the definitive construction of the model of the structure. In the construction, the tubes were cut to size previously established, with a grinder and its ends in the shape of a fish mouth, and thus a uniform welding joint was obtained, the folding of the arches and other pieces was done in a hydraulic bender. Weld points were made in certain joints to arm the structure, besides the welding process that was used for the tubular structure in the union of tubes was the MIG welding. It was verified that the weld was sealed when the penetrating dye test was performed. The frame was constituted by a structure of tubular steel which favors in stiffness.
3
1. INTRODUCCIÓN
En la carrera de Ingeniería Automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial (UTE), se han realizado proyectos de distinta índole, sin embargo es la primera vez que se va a realizar un proyecto sobre este tema. A falta de una escudería o un equipo de Fórmula SAE (Society of Automotive Engineers) o Sociedad de Ingenieros Automotrices en español. Se ha tomado el reto de diseñar y construir un vehículo monoplaza para competencia en fórmula SAE con sus subconjuntos de proyectos que pretende tener continuidad en el tiempo mejorando continuamente los principales proyectos en los que se ha dividido el diseño del automóvil. Dentro del país ya existen universidades que disponen de un vehículo monoplaza para fórmula SAE. La iniciativa se la ha tomado con el afán de poner a prueba el nivel de competencia de la industria automotriz en el país en cuanto a diseño se refiere. Por lo que la implementación de cada sistema del vehículo monoplaza para la competencia fórmula SAE son de suma importancia y debido a la falta de antecedentes de un prototipo de fórmula SAE en la Universidad Tecnológica Equinoccial y específicamente de una estructura, se da la necesidad del diseño y construcción del mismo. Y el propósito es dar un paso importante para que los estudiantes que siguen se animen y logren llegar con el nombre de nuestra carrera y nuestra universidad aún más lejos.
Así nace la necesidad de diseñar y construir un vehículo monoplaza de competencia para participar en este tipo de eventos realizados por la fórmula SAE para afianzar el compromiso tanto de docentes como de estudiantes al desarrollo de proyectos tecnológicos en la carrera de Ingeniería Automotriz de la Universidad. La competencia de diseño estudiantil que es organizada por la Sociedad de Ingenieros Automotrices denominada fórmula SAE, en la cual los estudiantes diseñan, construyen y compiten con un prototipo de vehículos de carreras tipo fórmula (monoplaza), bajo el requerimiento de un reglamento vigente para este tipo de vehículo y competencia, dónde las bases de la competencia es la creación de un equipo de fórmula o compañía imaginaria. En torno a los nuevos desarrollos tecnológicos, que establecen el nivel competitivo de dicha fórmula, el bastidor de los prototipos del vehículo monoplaza debe ser desarrollado minuciosamente ya que de este depende el comportamiento general del vehículo.
4 La base de este proyecto se fundamentará en consolidar la conexión entre la teoría y la práctica del diseño y construcción de la estructura de un vehículo monoplaza para competencia de fórmula SAE, partiendo con el análisis de los parámetros establecidos en el reglamento de la fórmula SAE que debe tener la estructura tubular de competencia, para que el bastidor disponga de una mayor eficiencia, menor peso posible y un bajo costo tratando de aumentar la velocidad y disminución de tiempo cuando se vaya a competir, este proyecto se lo va a realizar en talleres de la ciudad de Quito. Además el proyecto servirá para que el interés de los estudiantes de la carrera aumente e investiguen más sobre sobre el tema, así también aportar a la Universidad Tecnológica Equinoccial con un proyecto que representará a toda la carrera de Ingeniería Automotriz, siendo los pioneros en desarrollar un vehículo monoplaza para la competencia fórmula SAE en la universidad.
Para lo cual se debe conocer las características principales de estos vehículos. “Son monoplazas de 3 metros de largo, que usan motores de 600 cc de motocicletas, de 4 tiempos y 4 cilindros, que llegan a los 70 CV de potencia. Con peso aproximado de 250 kg. y se regula mediante 6 marchas de cambio secuencial para conseguir aceleraciones de 0 a 100 Km./h en 4 segundos” (Rodriguez Ortega, 2006).
“La competencia fórmula SAE es una competencia automovilística internacional avalada por la Society of Automotive Engineers (SAE) o Sociedad de Ingenieros Automotrices en español con sede en más de 10 países en el mundo; donde los participantes, que son estudiantes de Ingeniería Automotriz de más de 500 universidades diseñan, fabrican y compiten con un vehículo monoplaza a partir de normas y parámetros establecidos por la SAE en las que se enmarcan límites de potencia, resistencia, peso, dimensiones, etc.; con el fin de incentivar la investigación, el ingenio y la creatividad.” (SAE I. , 2015)
La finalidad de esta competencia es generar oportunidades a estudiantes para desarrollar el proyecto de un pequeño vehículo de carreras estilo fórmula, asumiendo que se va a producir para ser pilotos aficionados, cumpliendo con normas que ya se han establecido previamente por la SAE y no se permite la colaboración de expertos en el campo automotriz.
5 “Por lo que se refiere a seguridad las carrocerías se construyen formando un cuerpo central de gran rigidez para alojar a los pasajeros protegido por dos cuerpos (el delantero y el trasero), capaces de absorber por deformación gran parte de la energía desarrollada en un choque, en lugar de transmitirla directamente al conductor y los pasajeros.” (Perez, 2002)
El bastidor es una estructura que se encarga de recibir todas las cargas y esfuerzos que tiene el vehículo. Su misión principal es unir las cuatro ruedas y ser un elemento rígido, además ubicar en posición optima todos los componentes.
“El bastidor, o soporte del motor y de las ruedas incluyendo el sistema de dirección y de frenos. El conjunto es denominado chasis.” (Crouse, 1993). En la construcción de un bastidor existen parámetros fundamentales pero los que más se destacan son los 3 siguientes:
Ligereza: aprovechar mejor la potencia del vehículo.
Rigidez: estructura resistente a impactos para la protección del piloto.
Economía. La fabricación debe ser económicamente viable.
“Todos los elementos de un automóvil, como el motor y todo el sistema de transmisión han de ir montados sobre un armazón rígido. Para ello se necesita una estructura sólida para soportar estos órganos. La estructura que va a conseguir esa robustez se llama bastidor y está formado por dos largueros (L) y varios travesaños (T).” (Alonso, 2007)
Existen dos grandes tipos de estructuras usadas en los vehículos de competición: monocasco y tubulares. En el primero el bastidor forma parte de la carrocería y en el segundo son los que más se emplean como refuerzo de los vehículos de competición debido a que su construcción y la determinación de los esfuerzos a los que pueda estar sometido son más sencillas. En su inmensa mayoría los bastidores de competición son monocascos de materiales compuestos (siempre que el presupuesto y las normas lo permitan).
En competiciones de fórmulas con un nivel inferior se utilizan en muchos casos bastidores convencionales, y se refuerzan con estructuras internas tubulares, con protecciones más resistentes para vuelco o colisiones en cambio en las competiciones de fórmula SAE, se encuentran diversos tipos de estructuras. Las universidades que cuentan con alto presupuesto y experiencia en la competición de varios años prefieren en muchos casos el monocasco de fibra de carbono, debido a que es una estructura muy resistente, muchos más livianos que la de acero, ofrecen gran resistencia a torsión y además su desempeño en la pista es excelente.
De todos modos, este tipo de bastidor tiene una participación minoritaria en los monoplazas de esta competición. Las estructuras más comunes para la construcción de chasis en la fórmula SAE son las tubulares de acero que son unidas mediante un proceso soldadura.
6 económica de construir este prototipo, sin embargo su principal inconveniente es el exceso de peso respecto a las estructuras fabricadas en fibra de carbono.
Los espesores de los tubos de algunas partes de la estructura vienen especificados por la normativa ya establecida por la fórmula SAE, así como la geometría de las protecciones del piloto. La mayoría de las estructuras de acero tubulares son soldadas, aunque existe la posibilidad de que en ciertas partes del bastidor se pueda optar por uniones atornilladas, los equipos no lo utilizan por los esfuerzos a los que se está sometido.
Otra opción a tener en cuenta es incluir partes de aluminio en el bastidor y así tener la ventaja de reducir el peso, pero su costo se eleva al incluir un nuevo material en el diseño. La mayoría de equipos se dedica al estudio de las estructuras tubulares (disposición y geometría de materiales), sin embargo en la actualidad existen equipos que han ido más allá, empleando tubos de secciones variadas ya sean cuadradas, circulares y en algunos casos chapas enfrentadas rellenas de ciertos materiales para lograr el mismo objetivo de siempre, mayor rigidez a torsión con el menor peso y coste posible.
La soldadura también viene a ser importante en la construcción de un bastidor debido a que de alguna manera deben unirse los materiales al ser la forma más óptima y permitida por la normativa SAE, viene a ser el proceso de soldadura adecuado.
“Por lo tanto, se define soldadura como un proceso de unión como un proceso de unión producido por la fusión de materiales debido a su calentamiento a la temperatura de soldadura, con o sin la aplicación de presión, o aplicando solo presión, y con o sin el uso de material de aportación.” (Jeffus, 2008)
El proceso de soldadura adecuado para un bastidor es el GMAW (Gas Metal Arc Welding) que significa soldadura a gas y arco metálico, debido a que deposita el gas a gran velocidad y en diferentes posiciones, aparte de su gran resistencia de soldadura.
“La soldadura Gmaw utiliza un hilo (alambre) para soldar que se alimenta automáticamente, a una velocidad constante, como un electrodo. Se genera un arco entre el metal base y el hilo, y el calentamiento resultante funde este proporcionando el calentamiento de las placas base.” (Jeffus, 2008)
A continuación se detalla los artículos principales que involucran el diseño de un bastidor tubular según la normativa SAE. (Anexo 1)
Parte A – Regulaciones Administrativas
Artículo 1: panorama Fórmula SAE y competición Objetivos del diseño del vehículo
7 A1.2.3 Factores de diseño que deben cumplirse son: la estética, la ergonomía, el costo, el mantenimiento, la fabricación y la fiabilidad.
Parte T – Requisitos Técnicos Generales Artículo 2: requisitos generales del diseño T2.3 Distancia entre ejes (Batalla)
8
2. METODOLOGÍA
Principalmente se tomó en cuenta, la normativa que rige la fórmula SAE (Anexo 1), para guiarse en el desarrollo de la investigación y construcción de la estructura tubular, además de usar la normativa fórmula SAE se usarán fuentes de información como libros, páginas web, que su contenido sea referente al tema de esta tesis, tras haber revisado las restricciones y condiciones de la organización que afecten al bastidor, se lleva la información adquirida a la práctica.
Se realizará un bastidor estructural con tubos de acero. Según la normativa SAE la estructura primaria del automóvil es decir el bastidor debe estar construida de: Tubo de acero redondo, suave o de aleación (mínimo 0,1% de carbono) de las dimensiones mínimas especificadas.
Para realizar así un primer boceto del diseño en donde consten simplemente los tubos y poder identificar los arcos (principal y frontal), los tirantes de los arcos (principal y frontal), las protecciónes laterales, soportes y el plano frontal como se muestra la figura 1 y utilizarlo como base para el futuro desarrollo.
Figura 1. Tubos especificados por la norma SAE (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014)
La altura de los arcos (principal y frontal) se obtendrán de la altura del piloto y su línea de visión dejando un espacio lo suficientemente amplio en la cabina de la estructura para facilitar la entrada y salida del vehículo del piloto como lo estipula la norma.
9
Las protecciónes laterales ensanchan a la estrucutra para dejar más espacio en este caso a los hombros y a las caderas del piloto.
Los tirantes del arco frontal se unen con el plano frontal de la estructura para que siempre esten protegidas las piernas.
Los tirantes del arco principal se unirán con el punto de sujeción del motor , además el motor irá situado en la parte trasera del vehículo.
Las dimensiones de la parte posterior de la estructura dependerán del tamaño del motor y del eje trasero debido a que en esa zona debe ir ubicado. En cuanto a las suspensiónes pueden ir fijadas en diferentes puntos, pero esa decisión la debe tomar el encargado del desarrollo del tema.
En la parte delantera de la estructura, se revisará la parte que cubre y protege las piernas del piloto. Entre el plano frontal y el arco frontal de seguridad, hay una distancia que en caso de colision puede afectar a las piernas, por lo que se optó por añadir un refuerzo diagonal ubicado entre el soporte superior e inferior del plano frontal, de este modo se incrementa la rigidez de la estructura.
En la cabina se optó por colocar un tirante que une el arco principal con el frontal sobre las protecciónes laterales para mayor seguridad del piloto, además que las protecciónes laterales son bajas y la mayor parte que cubren es el torso del piloto pero los hombros quedan al descubierto y de esta forma aumenta la protección, en caso de colisión.
En cuanto a las secciones se ha tomado la decisión por motivo de costes y debido a que, en el mercado local no hay tubos con las secciones establecidas en la norma se optó por una sección para todo la estructura. Para distribuir las masas principales del vehículo se empieza por dar a conocer que las masas principales son aquellos elementos que influyen en proporción directa el comportamiento dinámico del vehículo. En este tipo de vehículo monoplaza la masa y posición del conductor afecta directamente en la distribución de masas en el eje delantero y trasero asi como el centro de gravedad del automóvil.
Las masas principales se detallan en la tabla 1, con el propósito de tener una ubicación correcta dentro de la estructura.
Tabla 1. Masas Principales del vehículo
N° Elemento Masa (kg)
1 Piloto 70
2 Motor 50
3 Pedales y dirección 15
4 Bateria 1,5
5 Tanque de combustible 6 6 Transmisión 30
10 peso atrás, con el objetivo de evitar un cambio considerable en la geometria de la suspensión al momento de acelerar o frenar bruscamente. Así el Centro de Gravedad (CG) se situaría en la mitad de los ejes para tener una adecuada repartición de masas.
Se empezará realizando un bosquejo de la parte inferior de la estrucutra como muestra la figura 2, con medidas que el reglamento lo permita.
Figura 2. Bosquejo del piso del bastidor (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014)
Las masas principales serán distribuidas según el espacio suficiente para que logren calzar, tratando de distribuir de forma que se llegue al 50 – 50, como muestra la figura 3.
Figura 3. Distribución de masas principales (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014)
11 dimensiones según reglamento SAE y las complementarias de las extremidades que describe el 95 percentil (Anexo 1).
Figura 4. Posición tentativa del piloto (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014)
Se puede estimar que la rigidez es una función lineal, que se podría definir según la ecuación 1 (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014), como se detalla a continuación:
𝑘 =
𝑃∆𝑑 [1]
Dónde:
𝑘: El parámetro de rigidez
𝑃: La fuerza ejercida
∆𝑑: El desplazamiento
En el mundo del automóvil se emplea la rigidez a torsión, quedando la siguiente ecuación 2 (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014), detallada a continuación:
𝑘 =
𝑀𝜃 [2]
Dónde:
𝑘: Parámetro de rigidez torsional
𝑀: Momento
𝜃: Angulo de deformación
“Se puede hallar el porcentaje de pesos para cada uno de los ejes en estático” (Ocaña, 2012): como se muestra en la ecuación 3.
𝐷𝑝𝑒 =
𝑃12 Dónde:
𝐷𝑝𝑒: Distribución de peso en el eje
𝑃: Es la fuerza vertical en el eje delantero o trasero según corresponda (peso soportado por el eje).
𝑃𝑇: Es la fuerza vertical total del vehículo (peso del vehículo).
La distancia del centro de gravedad (CG) al eje posterior del vehículo se lo determina mediante la ecuación 4 (Guascal & Quiroz, 2015), como se detalla a continuación:
𝑏 =
𝑊𝑓 × 𝑙𝑊𝑟
[4]
Dónde:
𝑏: Distancia del centro de gravedad al eje posterior
𝑙: Distancia entre ejes
𝑊𝑓: Peso sobre el eje frontal 𝑊𝑟: Peso sobre el eje posterior
“Todos los elementos del vehículo están distribuidos en el bastidor esto establece la ubicación del centro de gravedad.” (Guascal & Quiroz, 2015) En base a datos del centro de gravedad se puede calcular la repartición de masas en cada eje. Para ello se usará la coordenada en el eje x considerando el diagrama de cuerpo libre (DCL) del vehículo se determina las reacciones a los neumáticos, como se muestra en la figura 5. Y los cálculos mediante las ecuaciónes 5 y 6 (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014), como se detalla a continuación:
Figura 5. DCL del bastidor vista lateral (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014)
13 𝑁2 × 𝑏 − 𝑃 (𝑏
2+ 𝑑𝐶𝐺) = 0 [5]
∑ 𝑀𝐵 = 𝑂
𝑃 (𝑏
2+ 𝑑𝐶𝐺) − 𝑁1 × 𝑏 = 0 [6]
En donde:
𝑁1: Reacción en el eje trasero
𝑁2: Reacción en el eje delantero
𝑃: Peso del vehículo
𝑏: Batalla
𝑑𝐶𝐺: Distancia del centro de gravedad al eje neutro
Establecido el centro de gravedad (CG) del monoplaza se realizará la prueba antivuelco. Para realizar esta prueba se realizará un DCL como indica la figura 6 y el cálculo con la ecuación 7 (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014).
Figura 6. DCL prueba antivuelco
∑ 𝑀𝐵 = 0
𝑊 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝛽 × 𝑎
2− 𝑊 ∗ 𝑠𝑖𝑛𝛽 × ℎ − 𝑁1 × 𝑎 = 0
Para que exista vuelco se tomará 𝑁1=0 y se despejará 𝛽 (Bermeo, 2014)
𝛽 = tan−1( 𝑎
2×ℎ) [7]
En donde:
𝑎: Ancho de la vía
ℎ: Altura del CG desde el suelo
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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En esta sección se muestran los resultados obtenidos del proyecto, además se realizan simulaciones que ayudarán a analizar la estructura para luego proceder a su construcción. También se va a mostrar pruebas de comprobación de soldadura para verificar que los cordones de la soldadura estén aptos para montar los demás sistemas y componentes.
3.1 TIPOS DE BASTIDORES
“La función de un bastidor consiste en conectar rígidamente la suspensión delantera y trasera mientras que proporciona puntos de unión y montaje para los diferentes sistemas del automóvil.” (Guascal & Quiroz, 2015). Según el reglamento de la competencia Fórmula SAE manejan 3 tipos de estructuras:
Bastidor estructural con tubos de acero
Bastidor monocasco
Bastidor híbrido
3.1.1 BASTIDOR ESTRUCTURAL CON TUBOS DE ACERO
“Conjunto de miembros estructurales cargados en tensión o compresión, esto se logra mediante la soldadura de los miembros del bastidor formando nodos que absorben cargas importantes por tener una viga de soporte en todas las direcciones cargadas, es posible evitar la flexión de las vigas, que es lo que causa las mayores pérdidas en la rigidez torsional. Su bajo costo de fabricación permite ser el más utilizado.” (Guascal & Quiroz, 2015). Así se puede observar en la figura 7, el bastidor estructural con tubos de acero.
15
3.1.2 BASTIDOR MONOCASCO
Este tipo de bastidor proporciona el soporte estructural principal, y por lo tanto absorbe todas las cargas que afectan al vehículo, en la actualidad tecnológica es el tipo más común de los bastidores fabricados de diferentes tipos de materiales compuestos, por ejemplo, fibra de carbono reforzado con polímeros, Los beneficios del bastidor monocasco incluyen una alta rigidez a la torsión y peso ligero. Hay también algunas desventajas, como el diseño desafiante y un alto precio. Así se puede observar en la figura 8, un bastidor tubular.
Figura 8. Bastidor monocasco del equipo de la universidad ETH Zurich (Ruiz, 2016)
3.2 SELECCIÓN DEL DISEÑO DE LA ESTRUCTURA
Los bastidores monocasco e híbridos, tienen una estructura muy compleja y por ende su costo se elevaría en construcción, materiales y mano de obra, debido a su composición se necesitaría mucho más material liviano debido al tamaño y consumo de material que estos bastidores muestran, pero no solo son desventajas porque su composición dependiendo el material que se use puede ser más liviano o más pesado, esto dependería mucho del presupuesto, su aerodinámica es mejor por su forma.
El modelo que se escogió para el diseño y construcción de la estructura, fue el bastidor estructural con tubos de acero, como se muestra en la figura 9, debido a sus diferentes ventajas como:
Buena resistencia a las diferentes cargas sometidas o aplicadas,
La construcción y reparación es sencilla,
Se puede utilizar aceros alternativos según la normativa y
Sobre todo por su bajo costo.
16 Figura 9. Bastidor estructural con tubos de acero
3.3 CARGAS PRESENTES EN UN BASTIDOR
Los casos de cargas se pueden presentar en tipos globales y locales, donde el enfoque global afecta a todo el bastidor, mientras que el enfoque local en ciertos puntos como puntos de montaje y soportes.
En cuanto a los casos de carga globales se refiere, estos se dividen en los siguientes cuatro casos:
Rigidez torsional
Flexión vertical
Flexión lateral
Deformación horizontal
3.3.1 RIGIDEZ TORSIONAL
17 bastidor, la fuerza que se opone al extremo de la pieza en sí, como se muestra en la figura 10.
Figura 10. Rigidez torsional a un bastidor monocasco (Guascal & Quiroz, 2015)
3.3.2 FLEXIÓN VERTICAL
“Significa que el bastidor se flexione momentáneamente en aceleración o desaceleración. Estos dos comportamientos son el resultado de la transferencia de carga longitudinal que se produce durante el cambio repentino de la velocidad. El peso del piloto y los componentes adheridos por sistemas automotrices producen una deflexión a través del bastidor, las reacciones tienen lugar en los ejes además las aceleraciones verticales pueden aumentar o disminuir la magnitud de estas fuerzas.” (Guascal & Quiroz, 2015). Dicho esto, se puede decir que flexión vertical son los movimientos repentinos de velocidad que tiene un vehículo, como se muestra en la figura 11.
18
3.3.3 FLEXIÓN LATERAL
La flexión lateral es el resultado de las fuerzas centrífugas que se producen en las curvas. Estas fuerzas laterales tienden a desplazar el vehículo fuera de su camino, esta carga depende de varios factores, por ejemplo el peso, la altura del centro de balanceo, la resistencia que ofrecen las barras de suspensión y estabilizadoras. Estas cargas son inducidas por varias razones como la caída de la pista, fuerzas laterales que actúan a lo largo del vehículo y serán resistidas en los neumáticos. De manera más clara, se puede decir que flexión lateral es la manifestación de inestabilidad producidas en las curvas, como se muestra en la figura 12.
Figura 12. Flexión lateral en curvas (Guascal & Quiroz, 2015)
3.3.4 DEFORMACIÓN HORIZONTAL
19 Figura 13. Deformación horizontal de un bastidor
(Guascal & Quiroz, 2015)
3.3.5 CARGAS LOCALES
Las cargas locales están presentes en la suspensión, el motor y otras partes del vehículo, es importante considerar los puntos de fijación de los componentes los cuales se colocan en porciones rígidas en general, el aspecto principal a tener en cuenta en el diseño, donde los puntos de montaje deben optimizar las rutas de carga para las fuerzas locales resultantes. De manera más clara, se puede definir como cargas locales a las cargas que se encuentran presentes en otros sistemas del vehículo que van sujetos al bastidor.
3.3.6 CARGAS DE TRAYECTORIA
“Durante el proceso de diseño, es importante considerar cómo se transmiten las cargas en el bastidor. Una trayectoria de carga describe el camino a través del cual las fuerzas se disipan en el bastidor. Para investigar adecuadamente las fuerzas involucradas, un diagrama de cuerpo libre para cada componente debe ser dibujado, además este concepto puede ser utilizado para visualizar cómo se debe construir el bastidor.” (Guascal & Quiroz, 2015). Dicho esto, se puede definir como cargas de trayectoria a las cargas aplicadas con una fuerza durante el camino del bastidor
3.4 SELECCIÓN DEL MATERIAL DE LA ESTRUCTURA
Existen miles de materiales disponibles para la construcción de una estructura, pero el material que mejor se presenta debido a sus características, propiedades y costo, es el acero, debido a su composición aleada de metal y carbono.
20 Las especificaciones para establecer la aplicación más eficiente del acero son las siguientes:
Eficiencia estructural, en términos de menor costo.
Simplicidad y facilidad de conexiones a los miembros estructurales, es decir un adecuado proceso de soldadura.
Costo unitario relativo del perfil.
Disponibilidad del material en el mercado local.
En la selección de materiales, se trató de ver el de mejor propiedades físicas y características, el mejor costo, sobre todo que cumpla con ciertos parámetros establecidos en la normativa previa y que resulte de interés para el diseño y construcción del proyecto.
Entre algunos tipos de tubos de acero del mercado local se tiene, el tubo SAE 1010 y tubo AISI 4130 teniendo las siguientes propiedades, como se muestra en la tabla 2 y tabla 3.
Tabla 2. Propiedades tubo SAE 1010
Propiedades mecánicas
Composición química (%)
Densidad
(kg/m3) Aplicación
Resistencia tracción mínima:
343,24 MPa Limite elástico:
245,17 MPa Límite de ruptura:
382,47 MPa
Carbono:0,08 – 0,13 Magnesio: 0,3 – 0,6
Fosforo:0,04 – Azufre: 0,05
7700 – 8030
Piezas confeccionadas con estampado en
frio
(Bermeo, Calle, & Carrion, 2014)
Tabla 3. Propiedades tubo AISI 4130
Propiedades mecánicas
Composición química (%)
Densidad
(kg/m3) Aplicación
Resistencia tracción mínima:
590 MPa Limite elástico:
480 MPa
Carbono:0,28 – 0,33 Cromo: 0,8 – 1,1
Manganeso: 0,4 Silicio: 0,15 – 0,3
Fosforo:0,35 – Azufre: 0,4
7700 – 8030
Componentes de avión, tubos soldados de fuselajes, bielas, ejes, engranes, etc. (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014)
21 Tabla 4. Propiedades químicas del acero ASTM A500 grado A
Norma ASTM A 500 Propiedades Químicas (% máximo) C Carbono Mn Manganeso P Fósforo S Azufre
Grado A 0,23 1,35 0,035 0,035
(Prieto, 2015)
Tabla 5. Propiedades mecánicas del acero ASTM A500 grado A
Norma ASTM A 500 Propiedades Mecánicas (mínimas) Límite de fluencia (PSI) Resistencia a la tracción (PSI) % de elongación
Grado A 39000 45000 25
(Prieto, 2015)
Este tipo de acero estructural redondo cumple con la característica principal para la selección del acero, según la normativa, la cual debe cumplir con un porcentaje mínimo de carbono, es decir 0,1 %, teniendo con este tipo de acero ASTM A500 un porcentaje de 0,23%, el cual es apto para el diseño y construcción de la estructura tubular y que además esto favorecerá en el proceso de soldadura.
3.5 DIMENSIÓN DE DIÁMETROS Y ESPESOR DE LOS
TUBOS DE LA ESTRUCTURA
22 Tabla 6. Aplicación, diámetros y espesores
Material y aplicación Diámetro x Espesor de pared mínimo
Tubos de acero ASTM A500 para
arcos delanteros y principales 38mm x 2 mm
Tubos de acero ASTM A500 para apoyo de los arcos de vuelco, mampara delantera y sujeción del
arnés de seguridad
38mm x 2 mm
Tubos de acero ASTM A500 para
protección de impacto lateral 38mm x 2 mm
3.6 CROQUIS DE LA ESTRUCTURA TUBULAR
El croquis del bastidor se realizó en 3D, utilizando el software SolidWorks 2016 (SW 2016), con la opción línea, se traza el croquis del bastidor, se basó principalmente en el ahorro de material debido al presupuesto, las medidas principales fueron tomadas según la normativa SAE, otras medidas no cumplen con la normativa, como se muestra en la figura 14.
Figura 14. Croquis del bastidor SW 2016
23
3.7 ESTRUCTURADO DEL BASTIDOR
Una vez realizado el croquis del bastidor en 3D se procede a realizar el estructurado del bastidor, para ello se escoge la opción miembro estructural y se procede a dar un clic en cada línea del boceto donde se quiera insertar un tubo, como se muestra en la figura 15. Estructurado del bastidor quiere decir, convertir cada línea del croquis en un elemento estructural, como se muestra en la figura 16. La ventaja que presenta el software utilizado (SW 2016) es tener la facilidad de modificar cada línea en caso de ser necesario y modificar el material de construcción, esto ayudará a variar el diseño según las necesidades.
Figura 15. Boceto para insertar los tubos
Figura 16. Diseño del bastidor estructurado
24 Figura 17. Propiedades físicas del modelo del bastidor
A continuación en la figura 18 y en la figura 19, se muestra el centro de gravedad (CG) desde la vista lateral y vista frontal del bastidor respectivamente.
25 Figura 19. Vista frontal de la ubicación del CG
3.8 DISTANCIA ENTRE EJES Y ANCHO DE VÍAS DE LA
ESTRUCTURA
“La distancia entre ejes es medida en la vista lateral desde el centro del neumático delantero hasta el centro del neumático posterior, este valor está relacionado directamente con la maniobrabilidad del vehículo por lo que una distancia entre ejes corta contribuye con mayor maniobrabilidad e incrementa la transferencia de peso longitudinal, mientras a mayor distancia entre ejes, existe un efecto contrario. El ancho entre vías se mide desde el centro de los neumáticos del mismo eje, este valor tiene el mismo efecto que la distancia entre ejes en cuanto a maniobrabilidad y transferencia de pesos lateral.” (Guascal & Quiroz, 2015)
Así se puede observar en la figura 20, la distancia entre ejes medida en vista lateral del plano medida desde el centro de del neumático delantero al centro del neumático posterior.
26 En cuanto al ancho de vías se medirá en vista frontal desde el centro de cada neumático del mismo eje, como se muestra en la figura 21.
Figura 21. Distancia del ancho del eje
3.9 DATOS PARA REALIZAR LOS CÁLCULOS DEL
BASTIDOR
A continuación se utilizó cada una de las ecuaciones previamente descritas en la parte de metodología, de esta forma se determinó los elementos que se usaron en el prototipo. Se detallan los datos con sus respectivas magnitudes, símbolos y unidades para proceder a realizar los cálculos previamente mencionados en metodología, como se muestra en la tabla 7.
Tabla 7. Datos para cálculos
DATOS SÍMBOLO MAGNITUD UNIDAD
Peso total del
vehículo 𝑃 290 Kg
Peso eje delantero 𝑃𝑑 ó 𝑊𝑓 110 Kg
Peso eje trasero 𝑃𝑡 ó 𝑊𝑟 180 Kg
Distancia entre ejes 𝐿 ó 𝑙 2100 mm
Altura del vehículo
con respecto al piso ℎ 214 mm
Momento 𝑀 3000 mm
Ángulo de
deformación 𝜃 0,98 Grados
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3.9.1 CÁLCULO DE RÍGIDEZ TORSIONAL
“En ingeniería, la rigidez es la capacidad de un objeto sólido o elemento estructural para soportar esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones o desplazamientos.” (Molina & Tobar, 2009)
Así se puede concluir que rigidez torsional de una estructura, es la capacidad que tiene para soportar un momento sin producirse un ángulo de deformación grande.
Para el cálculo de la rigidez se toma la ecuación 2. Teniendo así:
𝑀= 3000 N.m
𝜃= 0.98°
𝑘 =3000 𝑁. 𝑚 0.98°
𝑘 = 3061.2 𝑁. 𝑚 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠
Por método de simbología, a continuación se transforma de grados a radianes, conociendo que 360° es igual 2𝜋 𝑟𝑎𝑑.
𝑘 = 3061.2 𝑁. 𝑚 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠𝑥
360 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 2𝜋 𝑟𝑎𝑑
𝑘 = 1731067.82 𝑁. 𝑚 𝑟𝑎𝑑
Obteniendo un parámetro de rigidez torsional final de 𝑘 = 3061.2 𝑁. 𝑚/ 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑠𝑒𝑥𝑎𝑔𝑒𝑠𝑖𝑚𝑎𝑙𝑒𝑠
“El caso más común y normalmente se utilizan las unidades: [N·m / grado def], siendo lo más habitual expresar el par ejercido para 1º de deformación. Es cierto que esta relación puede no ser lineal y variar dependiendo de la 𝜃 , pero en este caso 𝜃 se considera pequeño, con lo que k se tomará simplemente como un parámetro que mide el comportamiento del bastidor, no como un valor que se pueda extrapolar a momentos o 𝜃 a mayores.” (Calvo, 2014)
3.9.2 DISTRIBUCIÓN DE PESOS DEL VEHÍCULO
28
𝐷𝑝𝑒𝑑 = 𝑃𝑑
𝑃 × 100
𝐷𝑝𝑒𝑑 = 110
290× 100
𝐷𝑝𝑒𝑑 = 37.93%
𝐷𝑝𝑒𝑡= 𝑃𝑡
𝑃 × 100
𝐷𝑝𝑒𝑡 = 180
290 × 100
𝐷𝑝𝑒𝑡 = 62.06%
3.9.3 CÁLCULO DE LA DISTANCIA DEL CENTRO DE GRAVEDAD AL EJE POSTERIOR
Para el cálculo de la distancia del centro de gravedad al eje posterior se toma la ecuación 4.
𝑙: 2100 mm
𝑊𝑓: 110 kg
𝑊𝑟: 180 kg
𝑏 =
110 × 2100 180𝑏 = 1283.33 𝑚𝑚
Teniendo así una distancia 𝑏 = 1283.33 𝑚𝑚 , como se muestra en la figura 22.
29
3.9.4 CÁLCULO PARA LA REACCIÓN EN CADA EJE DEL VEHÍCULO
Para realizar este cálculo se toma en cuenta las ecuaciones 5 y 6 mencionadas anteriormente y se despeja obteniendo ecuaciones en 𝑁1 y
𝑁2. Así se tiene que:
𝑁2 = 𝑃
2 + 𝑃 ×𝑑𝐶𝐺
𝑏 = 0
𝑁1 =𝑃
2 − 𝑃 ×𝑑𝐶𝐺
𝑏 = 0
𝑃: 100%
𝑏: 2100mm
𝑑𝐶𝐺: 98mm
Se procede a reemplazar los valores en las ecuaciones:
𝑁2 =100% 2 +
100% × 98 2100
𝑁2 = 55%
𝑁1 =100% 2 −
100% × 98 2100
𝑁1 = 45%
La distribución del bastidor en el eje delantero es del 45%y en el eje posterior es del 55%.
3.9.5 CÁLCULO PARA LA PRUEBA DE ANTIVUELCO DEL MONOPLAZA
Establecido el centro de gravedad (CG) del monoplaza se realizará la prueba antivuelco, que se rige en la normativa SAE con un ángulo de inclinación de 60° con respecto al piso, esta inclinación simula a una curva a 1,75g garantizando con esta prueba la seguridad del piloto y estabilidad del monoplaza. Para realizar este cálculo se toma la ecuación 7.
𝑎: 1300mm
ℎ: 214mm
𝛽 = tan−1( 1300 2 × 214)
𝛽 = tan−1(3.03)
30 El bastidor se vuelca a 71,73°, indicando que el bastidor a un rango menor no se va a volcar y permanecerá estable en la pista.
3.10 SIMULACIÓN DE TORSIÓN DE LA ESTRUCTURA.
Se procede a determinar la torsión del modelo establecido bajo los parámetros SAE, en el software de diseño y análisis SolidWorks, esta es una prueba clave porque la rigidez a torsión define en su mayoría el comportamiento de un bastidor y se supone que mientras se aumente la rigidez se está mejorando el bastidor. Al someter el bastidor a una torsión de 3000 N.m se tuvo un desplazamiento total máximo de 16.8 mm, como se muestra en la figura 23. Lo importante de esta prueba es obtener el ángulo girado por el bastidor con lo que los desplazamientos que adquieren verdadera importancia.
Figura 23. Aplicación de cargas para determinar la rigidez del bastidor (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014)
3.11 SIMULACIÓN DE ACELERACIÓN
31 Figura 24. Simulación de aceleración
(Bermeo, Calle, & Carrion, 2014)
3.12 CORTE DE MATERIAL
Los nodos o mas conocidos como las uniones del bastidor se las realiza acoplando los tubos unos con otros, para esto se utiliza un corte conocido como boca de pescado como se indica en la figura 25. Que tiene como principal ventaja impedir el aporte innecesario de material en el proceso de soldadura, además posibilita tener un cordón homogéneo con un acople uniforme.
Figura 25. Corte en forma de boca de pescado
32
3.13 DOBLADO DE LOS TUBOS
Para realizar el doblado de los tubos el espesor de la pared de ser el mínimo que cumpla con la normativa caso contrario se obtendrán daños en el material, el doblado se lo realizó en una dobladora hidráulica como lo indica la figura 26.
Figura 26. Doblado de tubo con dobladora hidráulica
Para asi obtener el doblado de los tubos requeridos como lo indica la figura 27 y asi continuar con la construcción del bastidor.
Figura 27. Tubo doblado
3.14 TIPOS DE PROCESO DE SOLDADURA
Los principales procesos de soldadura que existen para estructuras son:
TIG
33
3.14.1 PROCESO DE SOLDADURA TIG
“Este tipo de soldadura utiliza arco de tugsteno no consumible protegida por un gas de argón. Se genera calor al establecerse el arco electrico entre un electrodo de tugsteno y la pieza a soldar. De esa manera es necesario añadir material de aporte, el cual viene en forma de varilla o alambre a la zona de soldadura.” (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014). Dicho esto, se puede decir que la soldadura TIG (Tugsten Inert Gas), tiene como característica principal el empleo de un electrodo permanente de tugsteno, donde se puede o no utilizar un metal de aporte y que además utiliza un gas protector de aire, como se muestra en la figura 28.
Figura 28. Soldadura TIG (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014)
“El arco produce el calor necesario para fundir el material. El gas protector mantiene el oxígeno del aire apartado del baño de fusión y el tungsteno caliente. Durante el proceso se puede o no, añadir el metal de aportación al baño de fusión.” (Jefus, 2010)
Este tipo de soldadura presenta ventajas como: no necesita limpieza posterior, no existe salpicadura en su proceso, el arco es muy angosto y gana en penetración, reduce el arco de alta frecuencia, se pueden soldar metales ferrosos, sin necesidad de materiales fundentes. Sin embargo tiene desventajas como: el alto costo del equipo y de la mano de obra, dificultad para trabajar al aire libre, debido a su pistola se dificulta trabajar en ciertos lugares a soldar.
3.14.2 PROCESO DE SOLDADURA CON ARCO DE PROTECCIÓN
34 causante de la oxidación, una diferencia en el uso de MIG es que el gas no reacciona con el metal. De manera mas clara, se puede decir que la soldadura MIG, es un tipo de soldadura que tiene un electrodo consumible y un gas protector, como se muestra en la figura 29.
Figura 29. Soldadura MIG (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014)
Su mayor ventaja en relación a la soldadura TIG, es su bajo costo en mano de obra y equipo, aparte de tener muy buenas características y propiedades físicas, y una variedad de gases a utilizar durante el procesos (Argón, Helio y CO2).
A continuación, la tabla 8 muestra las diferencias entre el proceso MIG y MAG.
Tabla 8. Diferencia entre MIG Y MAG
CRITERIO MIG MAG
Gas de protección Normalmente Argón CO2 o mezclas
Generador
Potencial constante o característica descendente
(gran capacidad)
Potencial constante
Metales a soldar Acero inoxidable, cobre y
aluminio Sólo aceros ordinarios Espesores a soldar Medios y gruesos Todos
Posiciones de soldeo Solo fáciles Todas
Visibilidad Buena Regular
Limpieza bordes Exige mucha limpieza Admite piezas soldadas Humos Poco molestos Pueden ser nocivos
35
3.15 SELECCIÓN DEL PROCESO DE SOLDADURA
El proceso de soldadura que se utiliza es el denominado MAG, en este proceso se produce un arco entre el electrodo de hilo continuo y la pieza a soldar, mientras que el entorno se encuentra protegido por uno de los gases ya sea inerte o activo. El gas que se utiliza por su bajo costo es un gas activo CO2, como se muestra en la figura 30.
Figura 30. Soldadura MAG con CO2
Este tipo de soldadura brinda una mayor penetración, mejora las propiedades físicas y aumenta la resistencia en caso de impacto, corrosión y cambios de temperatura. Es claro que los cordónes son mucho mas gruesos como se indica en la figura 31, esto se debe a las salpicaduras presentadas durante el proceso.
36
3.15.1 PUNTEADO DE SOLDADURA MAG
“El punteado de la soldadura es una técnica que se utiliza para mantener los perfiles unidos con unos puntos de soldadura, y así realizar la soldadura final con mayor comodidad. Debe ser realizado por un soldador experimentado ya el punteado formará parte de la soldadura final, y si no se realiza del modo adecuado debilitará considerablemente la soldadura.” (Calvo, 2014). Dicho esto, se puede decir que el punteado de soldadura ayuda a la fijación de las piezas de la estructura, evitar un calentamiento excesivo de las piezas y por ende su deformación, como se muestra en la figura 32.
Figura 32. Punteado de soldadura
3.16 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DEL BASTIDOR
Definido anteriormente, al ser adecuadas las medidas de los diferentes tubos del bastidor del vehículo tipo fórmula SAE, el espesor del material no cumple con los parámetros establecidos por la normativa y el material elegido cumple con los principales requerimientos, se procederá a detallar el proceso de construcción de la estructura principal del vehículo conocido como bastidor. Es interesante diseñar un bastidor de montaje, debido a la geometría compleja y a las posibles tensiones que se crean durante la soldadura. En el anexo 4 se muestra un diagrama del proceso de construcción.
3.16.1 BASE DEL BASTIDOR
37 biselar el material para tener un mejor agarre en el proceso de soldadura, a continuación se ensambla el piso para finalmente proceder a soldar mediante el proceso MIG con material de aporte de diámetro 0,9 mm a una velocidad de 80 -100 ipm con un rango de amperaje entre 80 - 100, así es como el ensamble final se muestra en la figura 33.
Figura 33. Piso del bastidor
3.16.2 ARCO FRONTAL DEL BASTIDOR
Este elemento es de vital importancia, debido a que en caso de impacto este se encarga de proteger toda la parte frontal de la estructura y se procederá a la construcción en base a los planos desarrollados, los tubos se cortarán en un angulo de 45° en las uniones para evitar que tenga agujeros en las paredes por los cuales puedan entrar al bastidor algun tipo de oxidante como, el agua o cualquier otro tipo y también para asegurar una unión fuerte al momento de soldar, como se muestra en la figura 34. La unión del arco se realizó mediante el proceso MIG con material de aporte de diámetro 0,9 mm a una velocidad de 80 - 100 ipm con un rango de amperaje entre 80 - 100.
38
3.16.3 ARCO DELANTERO DEL BASTIDOR
Este elemento es de suma importancia, debido a que se encarga de proteger a la estructura en caso de un volcamiento, según lo menciona la normativa, este miembro estructural debe ser una sola pieza desde el principio del arco hasta su fin, su construcción consiste, en doblar el tubo mediante una doblabora hidráulica como ya se mencionó, con mucho cuidado para evitar tener deformaciones durante el proceso, de esta manera se obtuvo un miembro estructural uniforme y continuo, como se muestra en la figura 35.
Figura 35. Ensamble del arco delantero
3.16.4 ARCO PRINCIPAL DEL BASTIDOR
39 Figura 36. Construcción del arco principal
3.16.5 PROTECCIÓN LATERAL DE IMPACTO
La protección lateral es un elemento estructural, que va sujetado entre el arco delantero y el arco principal, para su construcción y para tener un espacio adecuado dentro de la cabina, se dobló el tubo ensanchando la misma. La unión de este elemento de la estructura se realizó mediante el proceso MIG con material de aporte de diámetro 0,9 mm a una velocidad de 80 - 100 ipm con un rango de amperaje entre 80 - 100, para así tener el ensamble final, como se muestra en la figura 37.
40
3.16.6 TRIANGULACIÓN DEL BASTIDOR
Después de obtener la estructura primaria que consistió en unir los arcos de seguridad (frontal, delantero y principal) con las protecciones laterales de impacto, se precede a la triangulación de los miembros estructurales, la triangulación no cumple con los parámetros de la normativa, debido a que se trató de ahorrar material de construcción por el presupuesto del proyecto. Para lo cual se realizó la unión del bastidor con los tubos especificados anteriormente, mediante el proceso MIG con material de aporte de diámetro 0,9 mm a una velocidad de 80 - 100 ipm con un rango de amperaje entre 80 - 100, obteniendo un resultado final, como se muestra en la figura 38.
Figura 38. Ensamble del bastidor
Durante el proceso de construcción se obtuvo una estructura simétrica y con dimensiones precisas acorde a los planos establecidos previamente, sin embargo para lograr esta precisión, se requirió de elementos de fijación como maderas, plancha de acero, caballetes, etc., para realizar las soldaduras, dobladuras, cortes y otros procesos más. El peso total del bastidor es de 170kg.
3.17 COMPROBACIÓN DE LA SOLDADURA
41 destructivo con líquidos penetrantes. “Este ensayo no destructivo se utiliza generalmente para evidenciar discontinuidades sobre todo los materiales no porosos (o con excesiva rugosidad o escamado) como metales, cerámicos, vidrios, plásticos, etc. Característica que lo hace utilizable en innumerables campos de aplicación. El kit de los líquidos penetrantes, consta de un spray de color azul que actúa como limpiador de la superficie, otro de rojo que penetra las imperfecciones del cordón y final mente el spray blanco que permite revelar dichas imperfecciones si lo tuviere” (Bermeo, Calle, & Carrion, 2014).
En el kit de líquidos penetrantes viene, un spray de color azul que actúa como limpiador de impurezas, un spray de color rojo que actúa como penetrante de las imperfecciones y un spray de color blanco que actúa como detector de imperfecciones, como se muestra en la figura 39.
Figura 39. Kit de líquidos penetrantes (SOLYSOL, 2012)
El proceso se realiza en el bastidor, directamente en el nodo de soldadura que va a ser evaluado o inspeccionado, se debe eliminar la escoria y las impurezas de la soldadura, con un cepillo de acero o con un disco de desbaste que se lo acopla en la amoladora, esto se realiza para no tener problemas con los resultados, como se muestra en la figura 40.
42 Se aplica el líquido limpiador para que se remueva cualquier impureza del cordón que pueda afectar al resultado, se deja actuar durante 5 minutos para que el líquido pueda cumplir con su objetivo, se procede a quitar el exceso sin que quede ningún tipo de micro partículas como pelusas, como se muestra en la figura 41. Se recomienda que el cordón y la superficie estén completamente secos, para luego aplicar el líquido penetrante.
Figura 41. Líquido limpiador
Posteriormente se aplica en el nodo el spray penetrante de color rojo, se deja actuar 10 minutos para obtener los resultados esperados, como se muestra en la figura 42. Al igual que el spray anterior se procede a retirar todo el exceso del líquido penetrante y evitar la presencia de pelusas por que pueden alterar los resultados.
Figura 42. Líquido penetrante