UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LOS MECANISMOS DEL
VEHÍCULO (SUSPENSIÓN, DIRECCIÓN Y FRENOS) DE UN
AUTOMÓVIL HÍBRIDO PARA LA “CARRERA SOLAR DE
ATACAMA” BAJO EL REGLAMENTO DE LA CATEGORÍA “LA
RUTA SOLAR”.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
PAÚL FERNANDO GUERRA TAIPE
DIRECTOR: ING. MILTON REVELO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 172461426-6
APELLIDO Y NOMBRES: Guerra Taipe Paúl Fernando
DIRECCIÓN: Av. Mariscal Sucre S8-470 y José Mendoza
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 02-2-647-274
TELÉFONO MOVIL: 0992728068
DATOS DE LA OBRA
TITULO:
Diseño e Implementación de los Mecanismos del Vehículo (Suspensión, Dirección y Frenos) de un Automóvil Híbrido para la “Carrera Solar de Atacama” bajo el Reglamento de la Categoría “La Ruta Solar”.
AUTOR O AUTORES: Guerra Taipe Paúl Fernando
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 30-06-2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: Ing. Milton Revelo
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras
generar varios diseños óptimos para las exigencias de esta competencia. A su vez se logró desarrollar diseños que se ajusten al presupuesto del equipo el mismo que por restricciones en el reglamento de la carrera tenía un tope máximo de costo del vehículo hibrido. Con el apoyo del software de simulación “SolidWorks” se logró reducir el tiempo de varias simulaciones de esfuerzos a los que estos mecanismos del vehículo estarán expuestos a lo largo de la competencia generando así un vehículo hibrido con grandes características estructurales. En la fase de pruebas del vehículo híbrido se logró cumplir con todas las exigencias de la competencia obteniendo en el mecanismo de frenos un tiempo total de frenado de 4.68 segundos a una velocidad promedio de 20 km/h, obteniendo así 0.32 segundos menos del que la competencia exige. A su vez se el sistema de dirección logro que el vehículo pueda curvar en “U” en una longitud de 6 metros, logrando realizar este gira con 3 metros a favor del que la competencia exige.
Posteriormente a la implementación de los cuatro proyectos de titulación se logró como resultado final un vehículo híbrido que cumple todas las exigencias de la “Carrera Solar de Atacama”, el cual logro alcanzar una velocidad máxima de 37 km/h con peso total del vehículo de 167.99 kg en el cual se incluye el peso del conductor.
ABSTRACT:
This work was designed and implemented to be the complement of three specialty-titling projects, the same that were intended to develop a hybrid vehicle that takes advantage of solar and human energy. The purpose of this work was titling comply with all requirements imposed by the "Carrera Solar Atacama" in the category "The Solar Path" specifically talking about the steering, suspension and brakes. A review of literature was conducted exhaustive; it could shed many important variables to generate multiple optimized designs for the requirements of this competition. In turn, it was possible to develop designs that fit the team the same as for restrictions in the rules of the race had a ceiling of budget cost of hybrid vehicle. With the support of simulation, software "SolidWorks" time was reduced several simulations of stress to which these mechanisms the vehicle will be exposed throughout the competition thus generating a hybrid vehicle with major structural features. In the testing phase of the hybrid vehicle, it has failed to meet all the demands of competition obtaining in the braking mechanism a total braking time of 4.68 seconds at an average of 20 km / h, speed obtaining 0.32 seconds less than the competition demands. To turn the steering system achievement that the vehicle can be bent into "U" on a length of 6 meters, making make this tour with 3 meters in favor of competition requires.
of the "Solar Race Atacama" which may attain a maximum speed of 37 km / h with total weight of the vehicle 167.99 kg in which the weight of the driver is included.
KEYWORDS
Hybrid vehicle; Solar energy; Carrera Solar Atacama; Steering; Suspension, Brakes.
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, GUERRA TAIPE PAÚL FERNANDO, CI: 172461426-6 autor/a del proyecto titulado: Diseño e Implementación de los Mecanismos del Vehículo (Suspensión, Dirección y Frenos) de un Automóvil Híbrido para la “Carrera Solar De Atacama” bajo el Reglamento de la Categoría “La Ruta Solar”. Previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de
Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de
Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del
referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de
información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública
respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una
copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio
que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual
vigentes.
DECLARACIÓN
Yo PAÚL FERNANDO GUERRA TAIPE, 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.
Paúl Fernando Guerra Taipe
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e
implementación de los mecanismos del vehículo (suspensión,
dirección y frenos) de un automóvil híbrido para la “Carrera Solar
Atacama” bajo el reglamento de la categoría “La ruta Solar””, que, para
aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Paúl
Fernando Guerra Taipe, 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.
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
A quien se convirtió en la persona más importante en estos últimos años, mi
hijo Alejandro quien me ve como un ejemplo a seguir y por quien cada día
lucho por seguir creciendo en todos los ámbitos, por quien trato de convertirme
en una mejor persona día tras día y a quien espero nunca fallarle como padre
y persona.
A mis padres Juan Carlos Guerra y Zoraya Taipe, quienes son mi ejemplo a
seguir, de quienes he aprendido a nunca darme por vencido a luchar ante todo
por alcanzar mis sueños, quienes nunca han dejaron de brindarme su apoyo
a lo largo de los años, y quienes con sus valiosos consejos me han ayudado
a salir adelante y vencer los retos que día a día encontramos.
A mi tía Xime Taipe quien siempre estuvo brindándome todo su apoyo sin
esperar nada a cambio, quien a lo largo de mi vida ha estado siempre
acompañándome y guiándome, alguien muy importante en mi vida una
persona que se ha convertido en mi segunda madre.
A mis hermanos Juan Francisco Guerra y Carla Guerra los mismos que a lo
largo de mi vida me han enseñado a luchar por mis sueños y nunca han dejado
de apoyarme independientemente de cual fuera la circunstancia, en quienes
siempre he podido y podre confiar y quienes siempre serán pilares
fundamentales en mi vida.
A mi abuelita Laura Pozo quien siempre me ha guiado desde que era un niño
y quien gracias Dios en este momento puede verme convertido en un
profesional.
Mis sobrinos Gabriel y Gabriela Jaramillo Guerra y mi cuñado Rodrigo
Jaramillo con quienes he podido contar siempre con su ayuda incondicional y
quienes a lo largo de mi vida han sido un gran apoyo.
A mi novia Viviana Trávez que siempre estuvo apoyándome durante mi vida
universitaria quien a lo largo de este difícil camino siempre me dio ánimos y
me apoyo sin esperar nada a cambio simplemente buscando mi felicidad.
A la familia Taipe Pozo especialmente a mis tías quienes siempre me han
A la familia Guerra en especial a todos mis primos quienes siempre estuvieron
para brindarme su apoyo, con quienes siempre he podido contar cuando lo he
necesitado y en quienes estoy seguro siempre poder contar.
Agradecer de manera especial a mi primo Cristian Herrera quien me ha
enseñado a ser una mejor persona a luchar sin importar los obstáculos que te
ponga la vida y siempre tener una sonrisa ante todo, quien espero tener el
orgullo de en poco tiempo verlo convertido en un profesional.
No puedo dejar de mencionar a mis amigos Andrés, Richard, Byron, Gabriel
quienes de una u otra manera han estado a lo largo de mi vida personal y
profesional sintiéndose felices por logros que he ido alcanzando a lo largo de
AGRADECIMIENTO
A los miembros del equipo Sr. Guillermo Fernández, Sr. Hugo Correa, Sr.
Javier Moncayo, los mismos que desde el primer momento que se conformó
el mismo supieron realizar los esfuerzos necesarios para que esta loca idea
se vea plasmada en un proyecto exitoso, y a quien en un principio comando
el proyecto y fue quien nos dio esa idea de hacer una investigación fuera de
lo común y que logremos aprovechar y poner en práctica todos los
conocimientos que hemos aprendido de nuestros maestros a lo largo de
nuestra vida universitaria Ing. Msc. Diego Vaca.
A la Ing. Paulina Ramos que me ayudo a crecer como estudiante universitario
y como profesional, en quien veo un ejemplo a seguir en muchos aspectos y
fue parte fundamental para poder alcanzar esta meta de ser ingeniero.
Al Ing. Msc Milton Revelo quien sin su gran apoyo y compromiso no hubiera
sido posible lograr esta meta tan importante y anhelada. Ya que gracias a su
valiosa ayuda y su gran experiencia supo guiarme de la mejor manera para
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 3
2. MARCO TEÓRICO 6
2.1. EL AUTOMÓVIL 6
2.2. SUSPENSIÓN 7
2.2.1. TIPOS DE SISTEMAS DE SUSPENSIÓN 9
2.3. DIRECCIÓN 20
2.3.1. TORNILLO SIN FIN 23
2.3.2. SISTEMA DE CREMALLERA 24
2.3.3. GEOMETRÍA DE LA DIRECCIÓN 24
2.4. FRENOS 36
2.4.1. TRANSFERENCIA DE PESO DURANTE LA FRENADA 37
2.4.2. EFICACIA DE LOS FRENOS 39
2.4.3. TIPOS DE FRENOS 41
2.5. CARRERA SOLAR DE ATACAMA 47
2.5.1. EVOLUCIÓN 48
2.5.2. LA RUTA SOLAR 49
2.5.3. AVENTURA 49
3. METODOLOGÍA 50
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 54
4.1. DISEÑO DEL MECANISMO DE SUSPENSIÓN 54
4.1.1. ELECCIÓN DE AMORTIGUADORES 54
4.1.2. GEOMETRÍA FRONTAL 56
ii
4.2. DISEÑO DEL SISTEMA DE FRENOS 59
4.2.1. ANÁLISIS DE CONDICIONES 61
4.3. DISEÑO DEL MECANISMO DE DIRECCION 76
4.3.1. RADIO DE GIRO 76
4.3.2. ANGULOS DE VIRAJE 79
4.3.3. GEOMETRÍA DE LA DIRECCIÓN 82
4.4. PRIMERA PROPUESTA DE DISEÑO 87
4.5. PROPUESTA FINAL DE DISEÑO 90
4.6. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN 92
4.7. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE DIRECCIÓN 95
4.8. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE FRENOS 97
4.9. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS DISEÑOS
IMPLEMENTADOS 101
4.9.1. RESULTADOS MECANISMO DE SUSPENSIÓN 101
4.9.2. RESULTADO MECANISMO DE FRENOS 103
4.9.3. RESULTADOS MECANISMO DE DIRECCIÓN 104
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 107
5.1. CONCLUSIONES 107
5.2. RECOMENDACIONES 108
NOMENCLATURA O GLOSARIO 109
BIBLIOGRAFÍA 110
iii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Tabla de distancias aproximadas de parada, para distintas
velocidades y condiciones señaladas. 40
Tabla 2. Características de amortiguadores 55
Tabla 3. Resultados de ponderaciones para selección de amortiguadores. 56
Tabla 4. Comparativo de tipos de geometría frontal de suspensión más
utilizados. 57
Tabla 5. Resultados de ponderaciones para geometría frontal de la
suspensión. 58
Tabla 6. Valores de centro de gravedad y centro de balaceo. 59
Tabla 7. Características de discos de frenos para bicicletas. 60
Tabla 8. Resultados de ponderaciones para discos de freno de bicicleta. 61
Tabla 9. Coeficientes de rozamiento de materiales más comunes. 62
Tabla 10. Valores de aceleración para los coeficientes de rozamiento
más comunes. 63
Tabla 11. Valores de fuerza de frenado para los coeficientes de
rozamiento más comunes. 65
Tabla 12. Tiempo de frenado teórico para los coeficientes de rozamiento
más comunes. 67
Tabla 13. Tiempo de frenado real para los coeficientes de rozamiento
más comunes. 69
Tabla 14. Distancia recorrida durante el frenado para los coeficientes de
iv
Tabla 15. Distancia total e frenado para los coeficientes de rozamiento
más comunes. 74
Tabla 16. Longitudes de ancho de vía y batalla. 78
Tabla 17. Resultados de ponderaciones para longitudes de ancho de
vía y batalla. 79
Tabla 18. Datos de vía y batalla. 81
Tabla 19. Ángulos de viraje de las ruedas y radio de giro. 82
Tabla 20. Datos de barras de geometría trapezoidal. 87
Tabla 21. Ángulos definidos para geometría trapezoidal. 87
Tabla 22. Resultados de ponderaciones para propuestas de diseño de
mecanismos del vehículo hibrido. 89
Tabla 23. Cumplimiento de los requisitos de la carrera. 90
Tabla 24. Cumplimiento de los requisitos de la carrera (diseño final). 91
Tabla 25. Resultados de las pruebas realizadas al sistema de
suspensión 102
Tabla 26. Resultados de las pruebas realizadas al sistema de frenos 103
Tabla 27. Cumplimiento del sistema de dirección para las exigencias
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Pesos suspendidos y no suspendidos del vehículo. 9
Figura 2. Fases del funcionamiento de la suspensión. 9
Figura 3. Centro instantáneo de rotación. 12
Figura 4. Centro de balanceo (CB). 14
Figura 5. Efecto negativo al colocar el CB a la misma altura que el CG. 15
Figura 6. Sistema de suspensión de triángulos paralelos de igual
longitud. 16
Figura 7. Sistema de suspensión de triángulos paralelos con el
inferior más largo 17
Figura 8. Sistema de suspensión de triángulos no paralelos con el
inferior más largo que el superior. 18
Figura 9. Centro instantáneo de rotación. 21
Figura 10. Elementos de un sistema de dirección de tornillo sin fin. 23
Figura 11. Elementos de un sistema de dirección de cremallera. 24
Figura 12. Geometría de giro. 25
Figura 13. Angulo de avance. 26
Figura 14. Angulo de avance positivo. 27
Figura 15. Angulo de salida y sus efectos sobre la orientación de
las ruedas. 28
vi
Figura 17. Cotas conjugadas. 30
Figura 18. Desgaste por divergencia 32
Figura 19. Desgaste por convergencia. 32
Figura 20. Diferencia de ángulos de giro al momento de tomar una
curva. 33
Figura 21. Divergencia en giros. 33
Figura 22. Cuadrilátero de Ackerman. 34
Figura 23. Punto de convergencia y brazos de acoplamiento. 35
Figura 24. Fenómeno de encabritarse en arranque. 37
Figura 25. Fenómeno de encabritarse en frenada. 37
Figura 26. Estado de los neumáticos al momento de frenar. 38
Figura 27. Freno de disco en una bicicleta. 41
Figura 28. Componentes principales de un sistema de frenos de disco. 42
Figura 29. Elementos principales de un sistema de freno de tambor. 44
Figura 30. Canal guía para direccionar el aire hacia el sistema de frenos. 45
Figura 31. Elementos principales del sistema de freno de
estacionamiento. 46
Figura 32. Funcionamiento del sistema de freno de estacionamiento
con sus elementos principales. 47
Figura 33. Primera propuesta de simulación suspensión. 58
Figura 34. Segunda propuesta de simulación suspensión. 58
vii
Figura 36. Distancia total de frenado para asfalto medio mojado. 75
Figura 37. Distancia total de frenado para asfalto compacto mojado 75
Figura 38. Distancia total de frenado para hormigón de cemento mojado. 76
Figura 39. Angulo de viraje de las ruedas. 77
Figura 40. Geometría Trapezoidal. 83
Figura 41. Mecanismo de cuatro barras (geometría trapezoidal). 83
Figura 42. Propuesta 1 de diseño de mecanismos del vehículo hibrido. 88
Figura 43. Propuesta 2 de diseño de mecanismos del vehículo hibrido. 88
Figura 44. Propuesta 3 de diseño de mecanismos del vehículo hibrido. 89
Figura 45. Propuesta final de diseño de mecanismos del vehículo
hibrido. 91
Figura 46. Chasis fabricado para el vehículo hibrido. 92
Figura 47. Estructura tipo boomerang acoplada al chasis del vehículo
hibrido 93
Figura 48. Estructura del sistema de suspensión lado izquierdo 94
Figura 49. Estructura del sistema de suspensión lado derecho 94
Figura 50. Sistema de suspensión del vehículo hibrido 95
Figura 51. Elemento que comanda el sistema de dirección 96
Figura 52. Sistema de dirección del vehículo híbrido 97
Figura 53. Discos de freno utilizados en el vehículo híbrido 98
viii
Figura 55. Perno para direccionamiento de líquido de frenos 99
Figura 56. Bomba de freno del vehículo híbrido 99
Figura 57. Conjunto de elementos sistema de frenos lado izquierdo del
vehículo 100
Figura 58. Conjunto de elementos sistema de frenos lado derecho del
vehículo 100
Figura 59. Vehículo híbrido realizando pruebas del sistema de frenos 104
Figura 60. Vehículo híbrido realizando pruebas del sistema de dirección 106
ix
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1. Bases Técnicas “Carrera Solar de Atacama”
(especificaciones de Diseño). 112
ANEXO 2. Plano Disco de Freno. 117
ANEXO 3. Plano Sistema de Dirección. 118
ANEXO 4. Plano Amortiguador. 119
1
RESUMEN
El presente trabajo se diseñó e implemento para ser el complemento de otros
3 proyectos de titulación, los mismos que tuvieron como finalidad desarrollar
un vehículo hibrido que aproveche la energía solar y humana. La finalidad de
este trabajo de titulación fue cumplir con todas las exigencias que impone la “Carrera Solar de Atacama” en la categoría “La Ruta Solar” específicamente
las que hablan sobre los mecanismos de dirección, suspensión y frenos. Se
realizó una revisión de literatura exhaustiva, la misma que pudo arrojar
muchas variables importantes para generar varios diseños óptimos para las
exigencias de esta competencia. A su vez se logró desarrollar diseños que se
ajusten al presupuesto del equipo el mismo que por restricciones en el
reglamento de la carrera tenía un tope máximo de costo del vehículo hibrido.
Con el apoyo del software de simulación “SolidWorks” se logró reducir el
tiempo de varias simulaciones de esfuerzos a los que estos mecanismos del
vehículo estarán expuestos a lo largo de la competencia generando así un
vehículo hibrido con grandes características estructurales. En la fase de
pruebas del vehículo híbrido se logró cumplir con todas las exigencias de la
competencia obteniendo en el mecanismo de frenos un tiempo total de
frenado de 4.68 segundos a una velocidad promedio de 20 km/h, obteniendo
así 0.32 segundos menos del que la competencia exige. A su vez se el sistema de dirección logro que el vehículo pueda curvar en “U” en una longitud de 6
metros, logrando realizar este gira con 3 metros a favor del que la competencia
exige.
Posteriormente a la implementación de los cuatro proyectos de titulación se
logró como resultado final un vehículo híbrido que cumple todas las exigencias de la “Carrera Solar de Atacama”, el cual logro alcanzar una velocidad máxima
de 37 km/h con peso total del vehículo de 167.99 kg en el cual se incluye el
peso del conductor.
Palabras clave: Vehículo Hibrido, Energía Solar, Carrera Solar De Atacama,
2
ABSTRACT
This work was designed and implemented to be the complement of three
specialty-titling projects, the same that were intended to develop a hybrid
vehicle that takes advantage of solar and human energy. The purpose of this
work was titling comply with all requirements imposed by the "Carrera Solar
Atacama" in the category "The Solar Path" specifically talking about the
steering, suspension and brakes. A review of literature was conducted
exhaustive; it could shed many important variables to generate multiple
optimized designs for the requirements of this competition. In turn, it was
possible to develop designs that fit the team the same as for restrictions in the
rules of the race had a ceiling of budget cost of hybrid vehicle. With the support
of simulation, software "SolidWorks" time was reduced several simulations of
stress to which these mechanisms the vehicle will be exposed throughout the
competition thus generating a hybrid vehicle with major structural features. In
the testing phase of the hybrid vehicle, it has failed to meet all the demands of
competition obtaining in the braking mechanism a total braking time of 4.68
seconds at an average of 20 km / h, speed obtaining 0.32 seconds less than
the competition demands. To turn the steering system achievement that the
vehicle can be bent into "U" on a length of 6 meters, making make this tour
with 3 meters in favor of competition requires.
Following the implementation of the four projects titration was achieved as a
result a hybrid vehicle that meets all the requirements of the "Solar Race
Atacama" which may attain a maximum speed of 37 km / h with total weight of
the vehicle 167.99 kg in which the weight of the driver is included.
Keywords: Hybrid vehicle, Solar Energy, Carrera Solar Atacama, Steering,
3
1. INTRODUCCIÓN
Este proyecto estuvo enfocado en el diseño e implementación de los
mecanismos básicos de un vehículo que son dirección, suspensión y frenos,
los cuales son esenciales para el manejo y funcionamiento del automóvil hibrido que se realizó y con el cual se pretende competir en la “Carrera Solar de Atacama” específicamente en la categoría denominada “La Ruta Solar”.
El problema principal al realizar este automóvil hibrido fue el de brindar la
adecuada seguridad activa y pasiva tanto al piloto del mismo como a los
demás pilotos y audiencia presente en dicha carrera, para lo cual se tuvo que
realizar un correcto diseño de estos mecanismos para tener la certeza de que
el automóvil es funcional y seguro para todos los involucrados directos e
indirectos.
Cada uno de los mecanismos antes mencionados varía de un automóvil a otro
dependiendo principalmente del tipo de vehículo y el costo del mismo. En este
caso al ser una carrera la cual tiene exigencias muy diferentes ya que este
vehículo está impulsado mecánicamente por el piloto y por energía eléctrica
obtenida de la radiación solar, lo cual indica que este automóvil tiene que
cubrir necesidades diferentes a la de los automóviles comunes, e impone un
reto muy especial el cual es el de brindar la mayor seguridad y confort posible
al piloto ya que este automóvil no contará con todas la ventajas o lujos que
tienen los vehículos producidos en serie.
Ya que se trata de un prototipo, en el automóvil hibrido que se va a crear es
necesario desarrollar sistemas de suspensión, dirección y frenos funcionales
para el correcto desempeño del mismo y de esta manera complementar estos
mecanismos al diseño de la carrocería, chasis y sistema fotovoltaico para lograr un automóvil con la mejores características posibles para la “Carrera Solar de Atacama”.
La finalidad de este proyecto es la de desarrollar una conexión entre la teoría
y la práctica, y de esta manera fortalecer las habilidades de diseño y
4 Ya que es la primera vez que se realiza este tipo de proyecto que tratan del
diseño y fabricación un de automóvil hibrido impulsado mecánicamente por el
piloto y por energía eléctrica obtenida de la radiación solar, para participar en
una carrera internacional la cual es la “Carrera Solar de Atacama” fue
necesario que se realicen diseños específicos y técnicos para este tipo de
automóvil, los mismos que para su construcción se consideraron criterios de
seguridad mínimos requeridos, para que de esta manera el automóvil sea
seguro, fiable, funcional y resistente ante cualquier tipo de impacto al cual sea
sujeto.
El proyecto inicia desde la investigación documental, basándose en libros y
trabajos similares desarrollados en el país, así se podrá adquirir
conocimientos esenciales en el diseño de mecanismos del vehículo.
Una vez realizada la investigación documental necesaria y con la ayuda del
software de diseño mecánico “SolidWorks” se diseñara y evaluara la mejor
combinación de elementos para los mecanismos de suspensión, dirección y
frenos el vehículo hibrido. El proyecto finalizara una vez que se desarrollen e
implementen los diseños de los diferentes mecanismos del vehículo hibrido
en una sola estructura para poder fabricar el mismo con excelentes
condiciones de desplazamiento y seguridad para su ocupante.
Para tener un horizonte claro es prioritario establecerse objetivos alcanzables
y reales, para lo cual para este proyecto de titulación se estableció el objetivo
tanto general como los objetivos específicos.
Se definió como objetivo general del proyecto el diseñar e implementar los
mecanismos del vehículo (suspensión, dirección y frenos) en un automóvil híbrido para la “Carrera Solar de Atacama” bajo el reglamento de la categoría “La ruta solar”, ya que es necesario diseñar estos mecanismos con una
relación óptima de peso, resistencia, ergonomía, economía y eficiencia y así
obtener el mejor comportamiento del vehículo en la competencia. Cabe indicar
que se tomarán decisiones de diseño en base a las diferentes restricciones
que se encuentran en el reglamento de la carrera, específicamente en el
5 específicas en muchos aspectos del vehículo lo cual impone un recto mucho
mayor.
De igual manera se definieron como objetivos específicos el diseñar e
implementar el sistema de suspensión adecuado cumpliendo los
requerimientos de la competencia, también se estableció como objetivo
específico el diseñar e implementar un sistema de dirección y frenos
adecuado para brindar el mejor desempeño del automóvil hibrido y cumplir
con éxito las pruebas que especifica la competencia debe aprobar el vehículo
para poder competir, y como último objetivo específico se estableció el realizar
pruebas de rendimiento y seguridad mediante pruebas de campo
determinando de esta manera si el vehículo es capaz de cumplir con las
6
2. MARCO TEÓRICO
2.1. EL AUTOMÓVIL
Un automóvil es un vehículo que es capaz de moverse por sí mismo. La palabra, en este sentido, se conforma a partir de la unión de las raíces auto- y móvil.
El origen de los automóviles, como se los conoce hoy en día, se lo puede situar en la segunda mitad del siglo XIX, ya que en 1769 Nicolas Joseph Cugnot había construido un automóvil impulsado por vapor, los vehículos a gasolina surgieron durante la Segunda Revolución Industrial. El primer modelo de este tipo data de 1885 gracias al ingenio de Karl Benz, que lo patentó un año más tarde. Pero él no fue el único al que se le ocurrió la idea de inventar un automóvil impulsado por gasolina: otros ingenieros alemanes, como Gottlieb Daimler y Wilhelm Maybach, también construyeron su propio modelo. El automóvil es uno de los símbolos de la Segunda Revolución Industrial. En primer lugar porque su desarrollo se produjo gracias a la utilización de una nueva fuente de energía, el petróleo. En 1859 el estadounidense Edwin Drake fue el primer hombre en perforar un pozo petrolífero, lo que dio lugar al nacimiento de la industria petrolífera y ayudó en el avance de otros sectores como la industria química. Y en segundo lugar porque fue en el sector del automóvil donde se aplicaron por primera vez nuevas formas organización del trabajo. En 1908 Henry Ford puso en práctica, mediante la cadena de montaje, la división del trabajo de Frederick W. Taylor para llegar a cotas de fabricación hasta entonces nunca alcanzadas.
7
2.2. SUSPENSIÓN
El sistema de suspensión es un conjunto de elementos mecánicos que forman
parte del automóvil, y su misión es la de asegurar un correcto contacto de los
neumáticos del vehículo con el terreno para brindar de esta manera la mayor
estabilidad cuando se desplaza el vehículo, y a su vez este sistema es el
encargado de proteger a los ocupantes y al vehículo en sí de las
irregularidades que se puedan presentar en el terreno, y de esta manera
ayudar a que el sistema de dirección tenga un mejor rendimiento. (Bello, 2008)
Este sistema se lo puede ubicar en el vehículo sea entre el suelo y el bastidor,
o entre el suelo y la carrocería en el caso de vehículos de tipo autoportante.
Este sistema está constituido genéricamente por los mismos componentes,
únicamente diferenciándose en los tipos y dimensiones dependiendo de las
prestaciones del vehículo y de sus funciones. (Rojas, 2001)
Un sistema de suspensión ideal debe estar comprendido entre 30 y 60
oscilaciones por minuto, ya que se ha demostrado que el margen de
comodidad de una persona está dado alrededor de una oscilación por
segundo, ya que una cifra superior excita al sistema nervioso de las personas,
y una cifra inferior puede provocar mareo. Para desarrollar un sistema de
suspensión, con las características antes mencionadas, se debe tener en
cuenta dos variables las cuales son: el peso que soporta el elemento elástico
y el coeficiente de elasticidad del mismo.
Se puede observar una fórmula para calcular el tiempo de oscilaciones en
segundos, el cual ayudara al desarrollo de un sistema de suspensión ideal.
𝑇 = 2 (√𝐾.𝑔𝑃 ) [1]
Donde:
T: Periodo de oscilación en segundos
P: Peso en Kg
K: coeficiente elástico del resorte en Kg/m
8 Finalmente,
𝑓 =1
𝑇 (𝐻𝑧 𝑢 𝑜𝑠𝑐. 𝑥 𝑠𝑒𝑔) [2]
Donde:
f: Frecuencia en Hz u oscilaciones por segundo
T: Tiempo
Que multiplicando por 60 da las oscilaciones por minuto.
Existen dos cualidades esenciales que debe cumplir cualquier sistema de
suspensión de un vehículo las cuales son:
Elasticidad, esta cualidad de la suspensión es la que evita que se transmita de forma violenta cualquier tipo de irregularidades que se
encuentre en el terreno.
Amortiguación, esta cualidad impide el excesivo balanceo que pueda
existir al desplazar al vehículo por un terreno irregular.
Por medio de una unión elástica el sistema de suspensión enlaza los pesos
suspendidos y no suspendidos del vehículo, tal como se muestra en la figura
1, la misma que no amortigua solamente los diferentes golpes que las ruedas
transmiten hacia el bastidor, sino que a su vez ayuda con la amortiguación
que devuelve el vehículo a las ruedas a causa de la reacción como se puede
observar en la figura 2.
Si no existiese un sistema de suspensión en el vehículo, se transmitirían
directamente hacia el chasis y la carrocería los movimientos bruscos de las
ruedas, produciendo de esta manera golpes muy perjudiciales tanto para los
ocupantes del vehículo como para varios mecanismos del mismo. En las
siguientes imágenes se puede observar gráficamente a que se conoce como
peso suspendido y no suspendido, así como el funcionamiento del sistema de
9 Es necesario tener claro la definición de cada una de las variables que influyen
en el comportamiento del sistema de suspensión, para de esta manera poder
entender claramente los diferentes sistemas de suspensión que existen ya
que con el avance gigantesco que hace la tecnología en el campo automotriz
día a día se están desarrollando nuevos sistemas de suspensión más seguros
y que brinden un mayor confort a los ocupantes de los vehículos.
2.2.1. TIPOS DE SISTEMAS DE SUSPENSIÓN
Figura 1. Pesos suspendidos y no suspendidos del vehículo. (Parada, 2006)
10 Se puede dividir los diferentes sistemas de suspensión en dos grupos
principales los cuales son: suspensión de las ruedas delanteras y suspensión
de las ruedas traseras las cuales se las revisará por separado. Los diferentes
modelos de suspensión tanto delantera como trasera, están diseñados para
cada vehículo de acuerdo con la estructura de su tren de rodaje. (Perez, 2008)
2.2.1.1. Suspensión de las ruedas delanteras
La principal función de los sistemas de suspensión es la de permitir el
movimiento vertical de las ruedas con respecto al bastidor, y en las de ruedas
delanteras además, permitir la orientación de las mismas para cualquier
posición de la suspensión.
Estos sistemas de suspensión permiten el movimiento vertical de las ruedas
con respecto al bastidor, sin importar la orientación de las mismas.
Se puede observar que en la actualidad el sistema de suspensión que esta
predominando en los vehículos de tipo turismo es el sistema de suspensión
independiente (McPherson) de las ruedas delanteras, ya que al contar con un
eje rígido se presentan inconvenientes por que se transmiten los movimientos
y vibraciones de una rueda a la otra. La gran ventaja de contar con un sistema
de suspensión independiente es que los movimientos o vibraciones que se
presenten en una rueda no afecta de ninguna manera a la otra, y a su vez al
no contar con un eje rígido se puede disminuir peso, lo cual brindará mejor
estabilidad y mayor comodidad al conducir el vehículo. (Bello, 2008)
Estos tipos de suspensión cuentan con los siguientes elementos:
Ballestas
Muelles
Barras de torsión
Amortiguadores.
11 El sistema de suspensión de ruedas traseras puede ser de dos tipos, de eje
rígido o sistema de suspensión de ruedas independientes.
En los vehículos que se encuentra la disposición del motor delantera, es
común que se emplee un sistema de suspensión rígido en las ruedas traseras,
las mismas que pueden ser propulsadas o no. El disponer de un sistema de
suspensión trasera, dependerá de las prestaciones que se quieran obtener
del mismo, tales como confort y estabilidad, el accionamiento de las ruedas
delanteras y traseras, además del propio diseño del automóvil. (Kia Motors,
2007)
2.2.1.3. Geometría de la Suspensión
En esta sección se analizará la geometría de la suspensión desde dos
perspectivas, las cuales dividen a la geometría de la suspensión en:
Vista Frontal.
Vista Lateral.
Centro Instantáneo de Rotación o CIR
Como se puede observar en la figura 3, el Centro Instantáneo de Rotación, es
el punto alrededor del cual gira lateralmente la rueda del vehículo al
comprimirse o extenderse la suspensión. Dos puntos importantes para
localizar el mismo son el ángulo y la longitud que tienen los triángulos de la
suspensión.
Esta variable está relacionada directamente al largo y ancho del vehículo, ya
que en base a estos datos se puede calcular el CIR del mismo, el cálculo
correcto de esta variable es muy importante ya que de esta depende el
correcto diseño de un sistema de suspensión y el cumplimiento adecuado de
12
Ángulo de los triángulos de suspensión
Al prolongar imaginariamente la línea que une la rótula superior de la
mangueta con la línea que une los dos anclajes de la suspensión en el chasis,
y al realizar lo mismo con los anclajes inferiores estas dos rectas se cortarán
en un punto denominado centro instantáneo de rotación o también conocido
como CIR.
Si se sustituye los dos triángulos articulados por un solo brazo de suspensión
rígidamente unido a la mangueta y con un solo anclaje al chasis en este punto,
el recorrido de la rueda sería el mismo.
La distancia que existe entre el CIR y la línea que une los anclajes de las
manguetas define el radio del arco que sigue la rueda al moverse la
suspensión, es decir, la longitud de este brazo imaginario. Cuanto mayor sea
13 esta distancia, el radio será mayor y la trayectoria de la rueda será más
rectilínea por lo que ganará menos ángulo de caída negativa al comprimirse.
Si esta distancia es más corta, la trayectoria de la rueda será más curva, por
lo que logrará mayor ángulo de caída al comprimirse.
Longitud de los triángulos de suspensión
Si los dos triángulos tienen la misma longitud, esta ganancia de caída será
lineal, como se puede indicar con un ejemplo que si se tiene -1º/cm indica que
la rueda ganará 1º de caída negativa al comprimir 1 cm la suspensión, 2º al
comprimir 2 cm, etc.
Si el triángulo superior es más corto que el inferior, la ganancia de caída no
será lineal, la ganancia de caída será menor en el primer tramo de compresión
y mayor en el último. Así por ejemplo, la rueda gana 1º de caída negativa con
1 cm de compresión y 2,5º con 2 cm de compresión. Sin embargo, un brazo
superior demasiado corto hace que la suspensión se comporte de manera
similar a un eje pivotante levantando el chasis ante las fuerzas laterales.
Como último punto a tener en cuenta es que la suspensión no solo trabaja a
compresión, y esto implica que la suspensión puede ganar caída negativa al
comprimirse pero también ganancia positiva al extenderse por encima de su
posición de reposo.
Centro de Balanceo
Si se une el Centro Instantáneo de Rotación de la rueda izquierda con el
centro de su huella se obtendrá una línea, si repite esta operación con la rueda
derecha de igual manera. El corte de estas dos líneas determina otro punto al
cual se le conoce como centro de balanceo o CB. Al tener los triángulos
paralelos el CIR está infinitamente lejano, se trazara una línea paralela a estos
pasando por el centro de la huella como se observa en la figura 4. El CB es
el punto alrededor del cual gira el chasis cuando se comprime una delas
14 La unión de todos los CB determina el eje de balanceo y este es el eje
alrededor del cual rota el vehículo en conjunto.
Se puede considerar que las fuerzas sobre el vehículo pueden aplicarse en el
centro de gravedad o CG. La distancia entre el CG y el CB determina el
momento de balanceo.
Si el CG y el CB se encuentran ubicados en el mismo punto, una aceleración
lateral no producirá ninguna inclinación lateral en el chasis.
Si el CG está más alto que el CB que es lo que ocurre habitualmente, una
aceleración lateral producirá una rotación del chasis hacia el exterior de la
curva. Cuanto mayor sea esta distancia mayor será la inclinación.
Si el CG está más bajo que el CB lo cual ocurre en muy pocas veces, una
aceleración lateral producirá una rotación del chasis hacia el interior de la
curva. Cuanto mayor sea esta distancia mayor será la inclinación.
A primera vista lo más deseable sería el tener un CB a la altura del CG o por
encima de él para evitar el balanceo del chasis hacia el exterior en las curvas.
Sin embargo, un CB elevado permite que la fuerza lateral que ejerce el
neumático exterior a través de las suspensiones tenga una componente
vertical hacia arriba que levanta el chasis, lo cual es muy negativo para la
seguridad activa del vehículo; en la figura 5 se puede observar gráficamente
el efecto negativo que se puede tener al colocar el CB a la altura del CG.
15 Este radio de rotación se define como el ángulo que se inclina el chasis bajo
una aceleración lateral de 1G o 9,8 m/s2.
Por ejemplo, un radio de rotación de 1º/G informa de que el chasis se inclinará
1º bajo una aceleración lateral de 1G. La rueda sigue una trayectoria más o
menos curva al comprimirse la suspensión, esto genera inevitablemente un
desplazamiento lateral indeseado de la rueda sobre el asfalto.
La altura del CB es quien determina este desplazamiento. Si el CB está por
encima del suelo, la compresión de la suspensión deslizará la rueda hacia el
interior del vehículo, cuanto más alto esté el CB mayor será este
desplazamiento.
Si el CB está en el suelo el deslizamiento será el mínimo posible, si está por
debajo del suelo, la compresión de la suspensión deslizará la rueda hacia el
exterior del vehículo. Cuanto más bajo esté el CB mayor será este
desplazamiento.
Al tener en un sistema de suspensión un movimiento lateral indeseado puede
causar varios inconvenientes como son:
Genera un rozamiento lateral que ocasiona la pérdida de velocidad.
Modifica continuamente el límite de agarre lateral del neumático.
Teniendo en cuenta todos estos factores, lo más habitual en monoplazas de
competición es que el CB esté en un rango de unos 3 cm por debajo del suelo
y unos 5 cm por encima de este. Así se lograra minimizar el levantamiento del
chasis y el deslizamiento lateral de la rueda al encontrarse este con baches.
16
2.2.1.4. Geometría Frontal de Suspensión
El diseño más utilizado y a su vez el más errado al momento de diseñar la
geometría del sistema de suspensión es el de triángulos paralelos y de igual
longitud; por una parte se obtiene un perfecto control de la caída con el chasis
recto, al momento que el vehículo se encuentre ante baches, agujeros o
hundimiento de la parte delantera en frenadas fuertes, un no tan buen control
del desplazamiento lateral de la huella, ya que el ancho de vía cambia al
comprimirse o extenderse la suspensión, lo que causa inestabilidad y pérdida
de energía por rozamientos parásitos. Y adicional un muy mal centro de caída
con el balanceo del chasis, que se trasmite íntegramente, al tener dos grados
de inclinación del chasis causa dos grados de caída positiva en la rueda
exterior como podemos observar en la figura 6.
Una mejor geometría sería el utilizar triángulos paralelos pero con el inferior
más largo, ya que por un lado empeora el control de caída con el chasis recto,
algo importante en la frenada ya que se disminuye la huella, pero se mejora
el control del ancho de vía, lo que es muy bueno y a su vez mejora algo del
Figura 6. Sistema de suspensión de triángulos paralelos de igual longitud.
17 control de la caída con el balanceo del chasis, lo que se puede observar en la
figura 7.
Pero el mejor diseño, que se puede encontrar en una competición, es el
de triángulos no paralelos, en el cual el triángulo inferior está cerca a la
horizontal y el superior con una inclinación hacia el centro del chasis, y con
el inferior más largo que el superior obteniendo una relación entre 1,2 y 1,5 a
1, es decir, que un brazo superior de 10 cm implica un brazo inferior de entre
12 y 15 cm.
El control de caída en compresión con el chasis recto es mediocre, afecta
especialmente en el eje delantero en frenadas muy fuertes y con secciones
de neumático más cuadradas; sin embargo, el control del ancho de vía es muy
bueno, y brinda una buena estabilidad en rectas bacheadas, además que el
control de caída con el balanceo del chasis es excelente, ya que se logra que
la rueda exterior prácticamente no gane caída positiva con él balanceo lateral
del chasis lo cual se observa claramente en la figura 8.
Figura 7. Sistema de suspensión de triángulos paralelos con el inferior más largo
18 El ángulo de los triángulos sirve para situar el CIR y el CB en el lugar deseado.
Cuanto más lejos esté el CIR más bajo estará el CB. Solo se puede utilizar
una geometría de este estilo cuando se esté seguro de que la rueda exterior
no se colocará con caída positiva en las curvas con mucha aceleración lateral.
Además en el diseño de la geometría, hay que considerar la flexibilidad de los
materiales y las tolerancias de las uniones, que generalmente juegan en
contra. Por ejemplo, la distancia entre la prolongación del tirante de
suspensión que acciona el amortiguador hasta el suelo y el centro de la huella
introduce un momento de torcedura en la suspensión. A ello hay que unir la
torcedura de los triángulos, de las articulaciones, de los anclajes al chasis, etc.
2.2.1.5. Transferencia Diagonal de Pesos
La transferencia lateral de peso total depende exclusivamente del peso del
vehículo, la altura del centro de gravedad, ancho de vía y la aceleración lateral.
Esto significa que será la misma independientemente del tipo de suspensión,
o incluso si se utiliza un eje rígido. Se puede modificar el reparto de esta
trasferencia entre las ruedas exteriores delanteras y exteriores traseras, lo
Figura 8. Sistema de suspensión de triángulos no paralelos con el inferior más largo que el superior.
19 cual se conoce como transferencia diagonal de pesos lo que es fundamental a
la hora de realizar el diseño de un sistema de suspensión.
Al momento de tomar una curva, se produce una transferencia lateral de peso,
la misma que se puede calcular de la siguiente manera:
𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑙 =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑠𝑢𝑠𝑝.ℎ𝑐𝑔.𝑎
9.8.𝑣𝑖𝑎 [3]
Donde:
Trans fl: Transferencia lateral de peso. Peso susp: Peso Suspendido.
Hcg: Altura del centro de gravedad.
a: Aceleración.
vía: Ancho de vía.
Como se puede observar, no es más que la relación entre la altura del centro
de gravedad y el ancho de vía, el que marca esta transferencia,
independientemente del diseño de la suspensión.
Esta transferencia puede ser lleva a cabo a través de dos caminos:
La primera se transmite a través de los muelles de suspensión y genera
balanceo. Esta trasferencia es proporcional a la distancia entre el CG y el CB.
Cuando EL CG y el CB están en el mismo punto, no se transmite ningún peso
a través de los muelles, es decir no hay balanceo. Cuando el CB está en el
suelo, toda la transferencia se realiza a través de los muelles teniendo el
balanceo máximo.
Esta se puede calcular de la siguiente manera:
𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑙𝑚𝑢𝑒𝑙𝑙𝑒𝑠 = 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑠𝑢𝑠𝑝.(ℎ𝑐𝑔−ℎ𝑐𝑏).𝑎
9.8.𝑣𝑖𝑎 [4]
Donde:
Trans flmuelles: Transferencia de los muelles.
Peso susp: Peso Suspendido.
Hcg: Altura del centro de gravedad.
Hcb: Altura del centro de balanceo.
20
vía: Ancho de vía.
La segunda se transmite a través de los triángulos de la suspensión, sin pasar
por los muelles y no genera balanceo. Esta transmisión no depende del reglaje
de los amortiguadores pero tiene dos inconvenientes:
Es muy rápida, lo que puede sobrecargar la huella exterior ocasionando la
perdida de agarre.
Tiene una componente vertical hacia arriba que tiende a levantar el chasis, y
no se puede regular de ningún modo. Es proporcional a la distancia entre el
CB y el suelo. Por ello, si el CB está en el suelo se vuelve 0, y si el CB coincide
con el CG toda la transferencia se realiza a través de los triángulos, y por ello,
no hay balanceo. Esta se puede calcular de la siguiente manera:
𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑙𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐 =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑠𝑢𝑠𝑝.ℎ𝑐𝑏.𝑎
9.8.𝑣𝑖𝑎 [5]
Donde:
Trans flartic: Transferencia de los muelles. Peso susp: Peso Suspendido.
Hcb: Altura del centro de balanceo.
a: Aceleración.
vía: Ancho de vía
Aquí es donde entra en juego la puesta a punto, si tenemos diferentes
parámetros de altura de los CB, ancho de vía, dureza de muelles en la
suspensión delantera y trasera y dureza de las barras antibalanceo delanteras
y traseras podemos enviar esta transferencia de pesos en mayor o menor
medida hacia la rueda exterior delantera o trasera según convenga.
2.3. DIRECCIÓN
La misión del grupo de mecanismos que forman todo el sistema de dirección
del vehículo, es la de orientar las ruedas delanteras para que siga la
21 Las cualidades principales que debe tener un sistema de dirección son las
siguientes:
Preciso
De fácil manejo
No trasmitir irregularidades de la carretera a modo de vibraciones.
Para evitar que el conductor del vehículo deba ejercer un exceso de fuerza en
el volante para lograr direccionar las ruedas, generalmente se utiliza un
mecanismo desmultiplicador para trasmitir el movimiento del volante hacia las
ruedas del automóvil.
Para lograr que el vehículo se mantenga sobre la trayectoria deseada, se debe
desarrollar una correcta geometría del sistema de dirección, dando como
resultado una marcha estable, tanto en línea recta como en curvas, sin
necesidad de depender del estado de la carretera e independiente de la
velocidad del vehículo y la influencia del viento.
Una de las principales características de los mecanismos que comandan la
dirección, es la de eliminar o al menos reducir el rozamiento de las ruedas
sobre el piso, el mismo que se produce cuando la trayectoria seguida por estas
no coincide con las indicadas por el sistema de dirección. Para verificar esta
condición, se debe orientar a las cuatro ruedas del vehículo en curva, de
manera que describan circunferencias con el radio en un mismo centro, como
se puede observar en la figura 9.
22 Teniendo en cuenta que la trayectoria que deben recorrer las ruedas
directrices en una curva son diferentes, ya que le rueda exterior recorre un
camino más largo, la orientación dada a cada una debe ser diferente ya que
la rueda exterior debe abrirse más y para lograr que ambas sigan la trayectoria
deseada, se debe cumplir una condición, la cual es que en cualquier momento
de su trayectoria en una curva, las cuatro ruedas del vehículo deben tener una
sola orientación para que de este modo sus radios coincidan en un mismo
centro, al cual se lo conoce como centro instantáneo de rotación. (Perez,
2008)
Existe un conjunto de mecanismos, los que se encargan de convertir el giro
del volante de la dirección que hace el conductor, en giro angular de las
ruedas, estos se los conoce como elementos de la dirección. Para que el
automóvil vaya por la trayectoria que el conductor decida el conjunto de piezas
que forman el eje delantero, incluyendo a las ruedas deben reunir una serie
de condiciones que hacen que la dirección sea uno de los sistemas más
sofisticados del automóvil, ya que intervienen una serie de regulaciones que
complican su diseño.
El volante, el cual tiene un diámetro apropiado es manejado por el conductor,
y este no debe estar alterado, ya que está diseñado en función del esfuerzo
que se necesita para realizar los diferentes giros, y el disminuir su tamaño
puede ser poco conveniente ya que este se une a la columna de dirección, la
misma que está dividida en varias secciones y estas están unidad por varias
articulaciones de tipo cardan, para que en el caso de que ocurra un accidente
el volante no choque contra el tórax del conductor, sino que se vire hacia un
lado y así evitar cualquier inconveniente en la salud del conductor.
La columna termina en la caja de la dirección, quien es la responsable de
transformar el movimiento rotativo de la columna en movimiento longitudinal
de un brazo de mando el cual está situado a la salida de la caja, la cual
produce una desmultiplicación en el giro de las ruedas, es decir que cuando
el volante gire una vuelta de 360°, las ruedas giran un ángulo menor.
La caja de dirección además proporciona la cualidad de dirección irreversible,
23 transmitidos con facilidad, pero que las oscilaciones de las ruedas no tengan
ninguna repercusión en el volante.
Existen dos sistemas de transmisión dentro de la caja de dirección, el sistema
de tonillo sin fin y el de cremallera. (Paz, 2004)
2.3.1. TORNILLO SIN FIN
Este tipo de sistemas son más utilizados en vehículos pesados, ya que son
más robustos, pero presentan una mayor sofisticación no en su mecanismo
como tal que es más compacto que el de cremallera, sino a su gran número
de elementos de reenvío que precisa, esto hace que exista una mayor
precisión y mayor suavidad de accionamiento, por lo rozamientos parásitos
que surgen del elevado número de articulaciones.
Básicamente están accionados por un tornillo sin fin en el cual se introduce
un dedo que se desplaza longitudinalmente sobre el paso de rosca del tornillo
cuando este gira; el método para engrasar este sistema es sumergirlo en
aceite. Este tornillo sin fin se puede sustituir por un husillo de paso de rosca
trapezoidal, sobre el cual se desplaza un dedo de la misma forma que se
mencionó anteriormente. En la figura 10 se puede observar los elementos de
un sistema de tornillo sin fin.
24
2.3.2. SISTEMA DE CREMALLERA
El segundo sistema es el de cremallera, la columna de dirección termina en
un piñón con dientes oblicuos y se desplaza sobre una barra de acoplamiento
en la que se encuentra una cremallera o corredera a quien desplaza de forma
transversal de un lado hacia otro, dicha barra de acoplamiento es regulable
en longitud por medio de dos bieletas que roscan en ella y van unidad a los
brazos de acoplamientos por medio de rotulas y de esta manera hacen girar
las manguetas sobre las que giran las ruedas. En la Figura 11 se puede
observar los diferentes componentes de un sistema de dirección de cremallera
(Bello, 2008).
2.3.3. GEOMETRÍA DE LA DIRECCIÓN
Para lograr que la dirección reúna las condiciones mencionadas
anteriormente, el diseño de sus órganos presenta características especiales.
Las ruedas directrices deben cumplir una serie de condiciones geométricas
llamadas cotas de dirección. En la geometría conocida como cotas de
dirección se pueden considerar dos factores los cuales son:
Geometría de Giro
25
Geometría de las Ruedas
2.3.3.1. Geometría de Giro
Cuando un vehículo toma una curva, la trayectoria que debe seguir por cada
una de las ruedas directrices no es la misma, ya que el radio de curvatura no
es igual para cada una de las ruedas. Para lograr cumplir esta disposición
todas las ruedas deben tener un mismo centro de rotación, sin importar la
posición de las mismas.
Esto se puede conseguir dando a las bieletas una inclinación específica para
que cuando el vehículo circule en línea recta la prolongación de los ejes de
las bieletas coincidan en el centro del eje trasero, y al tomar una curva los ejes
de las ruedas coincidan con el mismo centro como se puede observar en la
figura 12. (Cebrán, 2011)
2.3.3.2. Geometría de las Ruedas
Para que exista un funcionamiento adecuado del sistema de dirección, es
necesario que las ruedas directrices cumplan una serie de condiciones
geométricas, las mismas que son conocidas como cotas de dirección y
26 mediante las cuales se logra que las ruedas obedezcan fácilmente las
instrucciones del conductor y así no se altere la orientación por las
irregularidades del terreno, brindando a este sistema mucha seguridad y fácil
manejo.
Las cotas que determinan la geometría del sistema de dirección son las
siguientes:
Angulo de Avance
Angulo de Salida
Angulo de Caída
Cotas Conjugadas
Convergencia y Divergencia de las Ruedas (Bello, 2008).
Angulo de Avance.
El pivote de la dirección o también conocido como eje de rotulas, puede
estar inclinado hacia adelante o hacia atrás con respecto a la vertical como
se puede observar en la figura 13.
27 El ángulo de avance proporciona fijeza a la dirección, brindando suavidad al
giro de la misma. Un avance excesivo hace que el brazo de palanca el cual
forma el centro de gravedad del vehículo con el punto de contacto de la
prolongación del pivote o rotula con el piso sea muy grande, y al mover la
dirección se necesite mayor esfuerzo, ya que la dirección se encuentra muy
dura. Al contrario que al tener un avance escaso, se disminuye el brazo de
palanca ocasionando que se tenga una dirección extremadamente suave,
conocida con el nombre de dirección blanda o dirección vagabunda.
Cuando la rueda delantera izquierda de un vehículo gira hacia la izquierda
como se puede observar en la figura 14, las rotulas de dirección de la rueda
se levantan, es decir el lado izquierdo del vehículo se eleva.
Este tipo de acciones que se pueden observar en las curvas, hace que se
considere que al tener un avance positivo del pivote y tomar una curva hacia
la derecha, el lado contrario del vehículo tiende a bajar y el lado derecho va a
elevarse, que es lo que se produce en un vuelco de la carrocería hacia afuera
de la curva, y uniendo a esto que la fuerza centrífuga tiende a expulsar el
vehículo hacia afuera, ocasiona que la estabilidad del vehículo disminuya. Por
este motivo el agarre que produce el avance positivo en la dirección es una
gran ventaja, pero a su vez por este mismo avance en las curvas pierde
estabilidad lo cual es una desventaja.
Utilizando un avance negativo obtenemos un resultado totalmente contrario,
es decir que al tomar una curva hacia la derecha, el lado izquierdo del vehículo
28 es el que se levanta y el lado derecho del mismo es el que tiende a bajar. El
avance negativo ayuda a que el vehículo gane mayor estabilidad en las
curvas, y es por este motivo que los vehículos actuales suelen llevar esta cota
siendo los vehículos pesados quienes llevan este tipo de avance en su
mayoría, el agarre de la dirección es el resultado de un reparto adecuado de
masa en el vehículo, además que el sistema de dirección tiene una gran
influencia en el mismo. (Paz, 2004)
Angulo de Salida.
Este ángulo normalmente está entre 5 y 10 °, pero en la mayoría de los casos
se encuentra entre 6 y 7 °, se puede observar en la figura 15 el ángulo de
salida.
Brinda una mayor estabilidad de la dirección y mantiene las ruedas en posición
de línea recta, además ayuda a restituir la posición recta después de una
curva.
29 Disminuye el esfuerzo físico de la dirección, especialmente cuando el vehículo
se encuentra detenido, y a su vez ayuda a disminuir el gasto de los
neumáticos. (Paz, 2004)
Esto se debe a que al orientar la rueda para tomar una curva, como gira sobre
el eje de pivote y éste está inclinado, la rueda tiende a hundirse en el suelo, y
ya que no puede hacerlo, la carrocería es la que se levanta, oponiéndose a
esto su propio peso, por lo cual, en cuanto se suelte el volante de la dirección,
el peso de la carrocería, hará volver la rueda a su posición de marcha en línea
recta. Además el ángulo de salida, minimiza el efecto de las irregularidades
de la carretera. (Parada, 2006)
Angulo de Caída.
Es la inclinación de la mangueta y por tanto de la rueda que gira sobre ella
con respecto a la vertical, como se puede observar en la figura 16. Cuando la
rueda se inclina hacia afuera, estando más separada por la parte superior de
la carrocería que de la parte inferior, se dice que se tiene una caída positiva,
y al contrario cuando la rueda gira hacia adentro teniendo las condiciones
opuestas a las antes mencionadas, se dice que la caída es negativa.
30 Esta caída se la mide en grados de inclinación del eje de rotulas con respecto
a la vertical, y se le da una caída positiva para que al momento de cargar el
vehículo se regrese a la verticalidad de la rueda. El ángulo de caída, es quien
ejerce una fuerza directriz en cada rueda, si esta fuera distinta entre ellas el
vehículo tendría a irse hacia el lado de la rueda con mayor ángulo de caída.
Este ángulo de caída ayuda a que los vehículos se adapten mejor a los
desniveles que existen en la carretera para que evitar que existan
acumulaciones de agua. (Paz, 2004)
Cotas Conjugadas
Las cotas de salida y caída hacen que el avance corte a la línea de
desplazamiento por delante y hacia la derecha del punto (A) como se puede
observar en la figura 17. El resultado de esto es que, para vehículos de
transmisión trasera, el empuje que se transmite al eje delantero va hasta la
rueda por el pivote, teniendo como resultado su punto de tiro en la rueda sobre
el punto (B).
La convergencia será mayor cuanto más adelantado y hacia la derecha se
encuentre el punto (B). Esta posición se la determinada por los tres ángulos
31 mencionados anteriormente los cuales son ángulos de caída, salida y avance,
lo que quiere decir que la convergencia depende directamente de estas 3
cotas. En vehículos de tracción delantera, la fuerza de empuje es aplicada al
mismo punto de apoyo de la rueda, haciendo que las ruedas traseras sean
remolcadas sin ejercer efecto alguno sobre la dirección.
Adicional a esto, se les da un pequeño avance para mantener estable la
dirección dando como resultado que las cotas de salida y caída tengan una
convergencia que puede ser positiva o negativa. (Bello, 2008)
Al conjunto formado por los ángulos de salida, caída y avance se le denomina
cotas conjugadas y tiene una gran importancia ya que permite al sistema de
dirección lo siguiente:
Disminuir los efectos de reacción del suelo sobre las ruedas.
Reducir el desgaste de las rotulas y rodamientos de la mangueta.
Direccionar los pesos sobre el rodamiento interior del buje.
Convergencia y Divergencia de las Ruedas.
Se puede entender por convergencia a la diferencia entre las ruedas
delanteras por la parte delantera y trasera de las mismas, los vehículos con
tracción trasera, tienden a que las ruedas delanteras se abran con el
movimiento del vehículo y es necesario que estos tengan cierta convergencia
para evitar esta tendencia.
Al contrario que los vehículos que tienen tracción delantera, tienden a que sus
ruedas delanteras se cierren por delante, por lo que se necesita que estos
tengan una cierta divergencia para corregir dicho problema. El tener una
incorrecta convergencia o divergencia en los vehículos ocasiona un desgaste
prematuro de los vehículos, y además se obtiene una dirección incorrecta. En
la figura 18 y 19 se indica gráficamente las consecuencias de la divergencia y
32 Las ruedas delanteras en las curvas tienen ángulos de giro diferentes, y esta
es la consecuencia de que el punto de cruce del eje vertical de la rueda y el
eje de la mangueta tengan el mismo centro de arco, esto se puede observar
en la figura 20, la cual describe la diferencia de ángulos de giro al momento
de que el vehículo toma una curva. (Paz, 2004)
Figura 18. Desgaste por divergencia (Rojas, 2001)