INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

DISEÑO DE LA SUSPENSIÓN Y DIRECCIÓN DE UN CARRO TODO TERRENO TIPO SAE MINI BAJA

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA

PRESENTA: ING. AARÓN ALEJANDRO AGUILAR ESPINOSA DIRECTOR: DR. LUIS HECTOR HERNÁNDEZ GÓMEZ

MÉXICO D. F.

AGOSTO DEL 2003

Dedicatoria. A mis padres :

Teresa Espinosa y Enrique Aguilar Por su amor .... por su apoyo incondicional en todos los proyectos e ideas que he emprendido. Gracias. Que Dios los bendiga.

A:

Gabriela Sotomayor Por tu presencia .... por los momentos compartidos Por el hecho de haber coincidido en mi camino Por el amor que siento por ti .

Índice

Índice Pág. Índice Índice de Figuras Índice de Tablas Simbología Resumen Abstract Introducción Justificación Alcance Objetivos

I V VIII IX XI XI XII XIV XV XV

Capítulo 1 Generalidades Sobre Suspensiones y Direcciones en Vehículos todo Terreno. 1.1 La Historia del Automóvil en el Mundo 1.2 Evolución Histórica de los Sistemas de Suspensión y Dirección. 1.3 Importancia de las Masas Suspendidas 1.4 Cualidades y Características de Manejo de un Automóvil. 1.5 Importancia de las Suspensiones, respecto a la Salud Humana. 1.6 Vehículos Todo Terreno 1.6.1 Tipos de Vehículos Todo Terreno 1.7 Vehículos SAE Mini Baja. 1.8 Definición del Problema. 1.9 Referencias.

2 5 8 9 11 12 13 15 16 17

Capítulo 2 Aspectos Teóricos Sobre Suspensiones y Direcciones. 2.1 Aspectos teóricos sobre direcciones. 2.2 Geometría de la Dirección. 2.3 Cinemática de la Dirección. 2.3.1 Sistema Ackerman 2.3.2 Relación entre los Elementos del Trapecio de Jeantaud 2.3.2.1 Relación Teórica entre los Ángulos de Viraje.

19 20 22 23 25 26

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I

Índice

2.3.2.2 Representación grafica entre los Ángulos de Viraje. 2.3.2.3 Relación entre los Elementos del Trapecio de Jeantaud 2.3.2.4 Representación grafica del valor de R. 2.4 Geometría de las Ruedas 2.4.1 Inclinación del Eje de Dirección y Radio de Pivotaje. 2.4.2 Convergencia. 2.4.3 Avance 2.4.4 Angulo de Caída y Huella de Contacto. 2.5 Resistencia a la Rodadura 2.6 Características de las Llantas. 2.6.1 Tracción 2.6.2 Tracción en la Llanta vs. Carga. 2.6.3 Factores de Llanta. 2.7 Prueba de Maniobrabilidad. 2.8 Tipos de Direcciones. 2.8.1 Dirección mediante Tornillo y Sector Dentado, Tornillo Sinfín y Rueda Dentada 2.8.2 Dirección mediante Tornillo y Tuerca. 2.8.3 Dirección mediante Tornillo y Tuerca por Cremallera 2.8.5 Dirección mediante Tornillo y Rodillo 2.8.6 Dirección mediante Piñón y Cremallera. 2.9 Desmultiplicación de la Dirección. 2. 10 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones 2.10.1 Fuerzas g. 2.10.2 Distribución del Peso 2.11 Sistemas de Suspensión. 2.12 Configuración de la Suspensión 2.13 Sistema de Coordenadas 2.14 Tipos de Suspensiones. 2.14.1 Suspensiones Delanteras. 2.14.2 Suspensiones Traseras. 2.15 Sistemas de Rigidez y Amortiguamiento. 2.15.1 Cálculo de la Rigidez de un Resorte Helicoidal. 2.15.2 Amortiguamiento de una Suspensión, Tipos de Amortiguamiento 2.15.3 Montaje de los Amortiguadores 2.15.4 Amortiguadores 2.16 Concepto Empleado 2.17 Sumario 2.18 Referencias

26 28 30 30 30 32 33 35 35 37 37 37 39 40 41 41 42 42 43 43 44 45 45

45 46 46 47 48 49 55 58 59 60 61 62 64 66 66

Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio. 3.1 El Diseño Mecánico

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II

Índice

3.2 Metodología de Diseño 3.2.1 La Metodología del Diseño Mecánico. 3.2.2 Despliegue de las Funciones de Calidad. 3.2.3 Establecimiento de Metas de Diseño 3.3 Diseño Conceptual. 3.3.1 Generación de conceptos. 3.3.2 Evaluación de Conceptos. 3.3.3 Conceptos del Sistema de Dirección. 3.3.4 Conceptos del Sistema de Suspensión Delantera. 3.3.5 Conceptos del Sistema de Suspensión Trasera. 3.4 Concepto de Diseño Adoptado. 3.5 Diseño de Detalle 3.5.1 Cálculo de la dirección 3.5.2 Trazo de la Suspensión. 3.5.3 Suspensión Delantera. 3.5.4 Caída, Avance, Inclinación del Eje de Dirección, Inclinación del Perno Rey, Radio de Pivotaje y Convergencia. 3.5.5 Cinemática de la Rueda Delantera. 3.5.6 Centro de giro de la llanta 3.5.7 Cojinetes de los Puntos de Pivote de los Brazos de Suspensión 3.5.8 Suspensión Trasera. 3.5.9 Cinemática de la rueda trasera 3.5.10 Cálculo de Rigidez y Amortiguamiento de la Suspensión 3.6 Sumario. 3.7 Referencias.

70 71 72 83 88 88 90 92 94 95 97 101 101 107 110 110 111 114 115 116 116 119 125 125

Capítulo 4 Evaluación de Resultados. 4.1 El Modelo Sinérgico 4.2 Resultados Obtenidos en la Suspensión y Dirección 4.2.1 Modificaciones Realizadas 4.3 Simulación Dinámica de la Suspensión y Dirección 4.3.1 Generalidades para el Análisis Dinámico en ADAMS 4.4 Descripción de las Pruebas 4.4.1 Características estáticas del carro con la suspensión integrada 4.4.2 Características dinámicas del carro con la suspensión integrada 4.5 Frecuencia de oscilación de la masa no suspendida. 4.6 Sumario 4.7 Referencias

127 129 132 136 136 139 139 144 146 148 148

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III

Índice

Conclusiones Trabajos a Futuro Anexo 1 Anexo 2 Anexo 3 Anexo 4 Anexo 5 Anexo 6 Anexo 7 Anexo 8

Cálculo de Cojinetes de Pivotes entre Chasis y Brazos de Suspensión. Cálculo de Piñón y Cremallera. Dibujos de Detalle de Suspensión Trasera. Dibujos de Detalle de Suspensión Delantera Ensamble de Suspensión y dirección Selección y Montaje de Rodamientos Características Finales de la Suspensión y Dirección. Reconocimiento de participación en la carrera Mini Baja West.

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IV

Índice de Figuras

Índice de Figuras Pág. Fig. 1.1 Vehículo con tres ruedas, impulsado con vapor, con el propósito de transportar piezas de artillería Fig. 1.2 Ford T, fabricado en E U. a principios del siglo XX Fig. 1.3 Ejemplo de los llamados SUV (Sport Utility Vehicle) Fig. 1.4 Automóvil dotado de motor, fabricado en 1886 por Gottlieb Daimler Fig. 1.5 Coche Holandés; Spyker de 4 cilindros, 1904 Fig. 1.6 Carro de carreras tipo todo terreno, categoría Baja Mil. Fig. 1.7 Ejemplo de los primeros vehículos todo terreno de uso militar. Fig. 2.1 Geometría de las ruedas delanteras. Fig. 2.2 Trayectoria de ruedas delanteras durante un viraje de 360° Fig. 2.3 Sistema de dirección; a) rueda única, b)eje rígido, c) Eje partido. Fig. 2.4 Sistema de dirección basado en geometría Ackerman Fig. 2.5 Sistema de dirección de ejes directrices Fig. 2.6 Representación gráfica entre ángulos de viraje. Fig. 2.7 Relación entre los elementos del trapecio de Jeantaud. Fig. 2.8 Eje de pivotamiento de rueda delantera. Fig. 2.9 Inclinación del eje de pivotamiento. Fig. 2.10 Angulo de avance positivo de la llanta. Fig. 2.11 Efecto direccional del caster en la dirección del vehículo. Fig. 2.12 Efecto del camber en el área del parche de contacto. Fig. 2.13 Esquema de la resistencia a la rodadura de una rueda delantera Fig. 2.14 Relación entre carga vertical y tracción para cualquier llanta Fig. 2.15 cajas de dirección de a)tornillo y sector dentado y b) tornillo sin fin y rueda dentada. Fig. 2.16 Sistema de dirección por tornillo y tuerca Fig. 2.17 Sistema de dirección por tornillo y tuerca por cremallera Fig. 2.18 Sistema de dirección por tornillo y rodillo Fig. 2.19 Sistema de dirección de piñón y cremallera. Fig. 2.20 Elementos básicos de la suspensión. Fig. 2.21 Vehículo sujeto a diferentes componentes de movimiento Fig. 2.22 Suspensión delantera de eje rígido. Fig. 2.23 Suspensión delantera independiente tipo eje de giro. Fig. 2.24 Suspensión delantera independiente tipo barras de arrastre. Fig. 2.25 Suspensión delantera independiente tipo MacPherson. Fig. 2.26 Suspensión independiente de brazos dobles tipo “A” de igual longitud. Fig. 2.27 Suspensión independiente de brazos dobles tipo “A” de diferente longitud.

2 3 3 6 7 14 14 21 21 22 23 25 27 28 31 32 33 34 35 36 38 41 42 42 43 43 47 41 49 50 51 52 53 54

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V

Índice de Figuras

Fig. 2.28 Centro de giro de una suspensión delantera de brazos dobles tipo “A” Fig. 2.29 Suspensión trasera de eje vivo Fig. 2.30 Suspensión trasera a) independiente y b) de eje vivo. Fig. 2.31 Tipos de amortiguamiento presentes en una suspensión. Fig. 2.32 Factor de carga vertical para diferentes ángulos de montaje en amortiguadores. Fig. 2.33 Ciclo de histéresis en materiales elásticos. Fig. 2.34. Partes de un amortiguador a) cilindro doble, b) mono-tubo. Fig. 2.35 Elementos que conforman el sistema. Fig. 3.1 Etapas principales de la Metodología de Diseño. Fig. 3.2 Metodología del Q Fig. 3.3 Concepto de diseño para la suspensión delantera. Fig. 3.4 Concepto de diseño para la suspensión trasera. Fig. 3.5 Sistema de dirección de piñón y cremallera. Fig. 3.6 Ángulos descritos por llantas delanteras en un viraje máximo a la izquierda Fig. 3.7 Longitud del brazo de dirección y su ángulo con respecto a la línea de unión entre pivotes de dirección. Fig. 3.8 Obtención gráfica de los valores de R y λ . Fig. 3.9 Dirección en posición de línea recta. (vista superior). Fig. 3.10 Dirección virando a la derecha (vista superior). Fig. 3.11 Dirección virando a la izquierda (vista superior). Fig. 3.12 Medidas generales del carro donde se colocará la suspensión y dirección Fig. 3.13 Medida del ancho máximo permitido por el reglamento SAE Mini Baja 2002 Fig. 3.14 Medida del largo máximo permitido por el reglamento SAE Mini Baja 2002 Fig. 3.15 Sistema propuesto de suspensión delantera. Fig. 3.16 Representación del sistema de suspensión por un mecanismo de cuatro barras. Fig. 3.17 Posición de la suspensión en reposo Fig. 3.18 Posición en su punto más alto. (12.5 cms. de desplazamiento vertical) Fig. 3.19 Posición en su punto más bajo. (12.5 cms. de desplazamiento vertical) Fig. 3.20 Posición de la suspensión en su punto más bajo. (5 cms. De desplazamiento vertical.) Fig. 3.21 Localización del centro de giro de la rueda Fig. 3.22 Sistema propuesto de suspensión trasera. Fig. 3.23 Centro de giro de la suspensión trasera, a)dibujo en miniatura, b) dibujo ampliado. Fig. 3.24 Posición de la suspensión trasera en reposo Fig. 3.25 Posición de la suspensión trasera en su posición hacia abajo

55 56 57 60 61 63 64 65 71 72 98 99 100 101 102 103 104 105 106 108 109 109 110 112 112 113 113 114 115 116 117 118 118

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VI

Índice de Figuras

Fig. 3.26 Suspensión trasera en su posición hacia arriba. Fig. 3.27 Análisis de fuerzas en suspensión delantera. Fig. 3.28 Análisis de fuerzas en suspensión trasera.

118 120 121

Fig. 4.1 Resumen de las actividades realizadas en el proyecto Fig. 4.2 Brazo de dirección Fig. 4.3 Zona de concentración de esfuerzos en el primer brazo de dirección Fig. 4.4 Zona de concentración de esfuerzos en el segundo brazo de dirección Fig. 4.5 Suspensión delantera. a) primer diseño, b) segundo diseño Fig. 4.6 Comparación entre diseño preliminar y diseño final del poste de dirección. Fig. 4.7 Prueba de paso sobre rocas. Fig. 4.8 Diferencia de altura entre suspensiones. a) primer diseño, b) segundo diseño. Fig. 4.9 Suspensión trasera. a) primer diseño, b) segundo diseño Fig. 4.10 Suspensión de dirección. a) unidad de piñón y cremallera, b) rótulas y biela Fig. 4.11 Ángulos de convergencia de las llantas cuándo la suspensión viaja a lo largo de toda su carrera. Fig. 4.12 Ángulos de viraje de las llantas cuándo la suspensión viaja a lo largo de toda su carrera. Fig. 4.13 Angulo de ataque del carro, a) modelado, b) en prueba de pendiente Fig. 4.14 Angulo ventral del carro, a) modelado, b) pasando una pendiente Fig. 4.15 Angulo de salida a)saliendo de la pendiente, b) bajando la pendiente. Fig. 4.16 Altura del carro, a) modelado, b) prototipo construido. Fig. 4.17 Distancia entre ejes, a) modelado, b) prototipo. Fig. 4.18 Ancho entre centro de llantas del carro. Fig. 4.19 Profundidad de vadeo. Fig. 4.20 Angulo de volcadura, a) modelado, b) pasando prueba sobre rocas. Fig. 4.21 Ángulos de volcadura, a) inseguro, b) en equilibrio, c)seguro Fig. 4.22 Volcadura en recorrido de maniobrabilidad., a) primer impacto, b) posición final Fig. 4.23 Viaje de la suspensión delantera a)vista lateral, b)vista frontal. Fig. 4.24 Viaje de la suspensión delantera y trasera )vista lateral, b)vista frontal.

128 130 131 131 132 133 134 134 135 135 137 137 139 140 140 141 141 142 143 143 144 146 147 147

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VII

Índice de Tablas

Índice de Tablas Pág. Tabla 1.1 Clasificación de autos todo terreno según su uso.

4

Tabla 2.1 Relación de la carga vertical con la eficiencia en curvas. Tabla 2.2 Relación de peso y compresión de un típico resorte trasero

39 59

Tabla 3.1 Listado de requerimientos a ponderar Tabla 3.2 Ponderación de requerimientos deseables Tabla 3.3 Resultado de la ponderación de requerimientos deseables por orden de importancia. Tabla 3.4 Estudio comparativo con sistemas de suspensión y dirección de carros SAE Mini Baja Tabla 3.5 Traducción de los requerimientos del cliente en términos mensurables de ingeniería. Tabla 3.6 Establecimiento de las metas de diseño. Tabla 3.7 Despliegue de funciones de calidad Tabla 3.8 Evaluación de conceptos utilizando las técnicas de Ullman Tabla 3.9 Valor de R en función de λ Tabla 3.10 Valores obtenidos en ADAMS/View Tabla 3.11 Ángulos de Dirección.

76 77 77

Tabla 4.1 Ángulos teóricos y reales de viraje a la izquierda Posición extremo-extremo de la dirección. Tabla 4.2 Valores obtenidos en ADAMS/View Tabla 4.3 Desempeño del carro en las carreras en las que participo.

79 82 84 87 91 104 105 111 138 138 145

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VIII

Simbología

Simbología

α β g´s π fn ζs γ η µ Σ Φ

“i” 2a a cg Cs d D D ϖd e Fr FR G Hz in. k1 k2 k3 k4 Keq Ks Kt L m M m

Angulo de viraje, rueda derecha Angulo de viraje, rueda izquierda Gravedad 9.81 m/seg2 o 386 pulgadas/seg2 Relación constante entre el diámetro y a la circunferencia (3.14159) Frecuencia natural no amortiguada en Hertz Relación de amortiguamiento Angulo que forman el brazo de dirección y la línea entre puntos de pivote. Angulo de viraje, rueda izquierda Angulo de viraje, rueda derecha Sumatoria Diámetro Inclinación del eje de pivotamiento, salida o King-Pin. Distancia entre puntos de pivote de ruedas delanteras. Brazo de palanca que tenderá a abrir la parte delantera de la rueda hacia fuera. Centro de gravedad Coeficiente de amortiguamiento de la suspensión Diámetro del alambre de un resorte (metros) Diámetro medio de la espira (metros) Diámetro de paso del piñón de cremallera Frecuencia natural con amortiguamiento Distancia entre centros de ejes de llantas. Fuerza equivalente a la resistencia a la rodadura de la rueda Fuerza en el resorte Módulo torsional (Pascales) Hertz Pulgadas. Constante de rigidez de resorte 1 Constante de rigidez de resorte 2 Constante de rigidez de resorte 3 Constante de rigidez de resorte 4 Constante de rigidez equivalente Rigidez de la suspensión Rigidez de la llanta Longitud del desplazamiento total de la cremallera Metros Masa de la masa suspendida. Velocidad vertical de la masa no suspendida

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IX

Simbología

N ϖn p psi. PV q R R r r RR T V

x y z

Número de espiras del resorte Frecuencia natural no amortiguada en radianes por segundo. Velocidad de giro alrededor del eje x Libras sobre pulgada cuadrada Relación presión-velocidad para materiales de Poliamida. Velocidad de inclinación alrededor del eje y Radio de giro Longitud, en metros, de las palancas o brazos de dirección Velocidad de derrape alrededor del eje z Relación piñón diámetro Rango de rigidez Tiempo en segundos Velocidad vertical de la masa suspendida Eje longitudinal de simetría y en dirección del movimiento al frente del carro. Eje en el plano transversal y del lado derecho del vehículo Eje en el plano vertical y en dirección al piso.

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X

Resumen, Abstract

Resumen Este trabajo contiene el diseño de la suspensión y dirección de un automóvil de competencia SAE Mini Baja. Se hace el estudio completo de los ángulos de dirección y suspensión, para obtener los ángulos óptimos que proporcionen un excelente manejo y control del carro. Se presentan los dibujos de detalle para la fabricación total de los componentes teniendo en consideración fabricarlos con métodos convencionales. El proyecto se complemento con la fabricación del prototipo y la participación en tres carreras; dos nacionales y una internacional. Se considera también hacer pruebas al prototipo para comparar los cálculos teóricos.

Abstract This document is about the design of suspension and steering Mini Baja all terrain car. This thesis studies the angles of direction and steering to get the best angles that give the car an excellent ride and control. It show the detail drawings to make the components, but thinking on make them with conventional methods. One prototype was built to complete the work and to participate in a three Mini Baja racings; two nationals and one international. Finally the prototype was tested to compare with the previous calculations.

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XI

Introducción

Introducción. Uno de los aspectos primordiales que se sienten al momento de manejar un automóvil es la suspensión y dirección, pues es a través de estos sistemas que el conductor y pasajeros sienten en cierta medida las condiciones del camino. La comodidad, confort así como la salud de los pasajeros dependerá de que tan bien aísle la suspensión, las irregularidades del camino. Es bien conocida la diferencia entre viajar en un auto con suspensión dura como en el caso de camiones y camionetas, a viajar en autos de lujo cuya suspensión aísla muy bien a los ocupantes de las asperezas del camino. La suspensión en un carro todo terreno se puede decir que es el sistema más importante que actúa durante el recorrido y es por ello que se debe poner mucha atención y cuidado en su diseño. La dirección también es un sistema de suma importancia, ya que es a través de éste, que se tiene el control de la dirección del vehículo; una dirección suave y que proporcione buena respuesta, no causará fatiga ni estrés al conductor, además de ser más segura. La presente tesis trata sobre el diseño de la suspensión y dirección de un auto de competencia todo terreno. Lo que se pretende es hacer un trabajo formal que incluya todos los análisis necesarios para que el vehículo pueda desempeñarse sin ningún contratiempo. Paralelo al desarrollo de esta tesis, se diseñó y fabricó el prototipo, y durante ese tiempo, se adquirió cierta experiencia en cuanto al desempeño general de estos carros. El realizar un prototipo tiene la ventaja de conocer aspectos de diseño que no se contemplan al realizar un estudio puramente teórico. Para diseñar y construir el carro se consultaron diferentes fuentes, el criterio de diseño se basó en el estudio de las características generales en un automóvil, análisis de geometrías y estética general. Los cálculos se generaron a partir de la literatura existente. Se hace uso paquete de análisis dinámico ADAMS/View V.11 para facilitar el estudio de las geometrías y cinemática de ambos sistemas. Este vehículo se diseño para competir en las carreras organizadas por SAE (Society of Automotive Engineers), el trazo de las pistas se hace sobre terrenos bastante irregulares, que incluyen pendientes muy pronunciadas, terrenos rocosos, zonas de arbustos, tierra suelta, lodo, topes, planicies, vueltas muy cerraras, etc. En estas condiciones el carro experimenta todo tipo de sacudidas y en ocasiones golpes que pueden hacer que el piloto pierda el control del vehículo y pueda sufrir un percance que afecte su integridad física y el funcionamiento del auto.

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XII

Introducción

Es común observar en este tipo de competencias que los autos se averían en la primera etapa de la carrera por no contar con un buen diseño de su suspensión y en ocasiones por falta de pericia de los pilotos que por ser estudiantes, la mayoría de ellos no cuentan con la experiencia necesaria para manejar en este tipo de caminos. El prototipo se corrió en dos carreras organizadas en México. (Toluca; noviembre 2 002 y Querétaro; febrero 2003). En estas carreras se adquirió mayor experiencia sobre el tipo de pistas y los detalles que se deben cuidar en el diseño y construcción del carro. Estas dos carreras propiciaron que se realizaran modificaciones a algunos elementos que presentaron fallas, o que a criterio, se supuso que podrían suceder. Como meta final en la construcción del prototipo se asistió a la carrera Mini Baja West, organizada por SAE Internacional en Provo, Utah en Mayo del 2003. Durante esta carrera se realizó un digno papel Representando al Instituto Politécnico Nacional y a México.

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XIII

Justificación

Justificación

Este trabajo se justifica por lo siguiente: Proporcionara experiencia en carreras SAE Mini Baja a la SEPI y en especial al área de Ingeniería del Transporte Aportará un prototipo de un carro SAE Mini Baja a la SEPI ESIME ZAC. Se diseñaran conjuntamente los sistemas de chasis, dirección, suspensión, y transmisión Se representará al IPN como institución, así como al país en la carrera internacional SAE Mini Baja 2003. Se propone el diseño de cada sistema utilizando la técnica del QFD Es un proyecto de aplicación teórica, practica y organizacional Puede servir de inspiración a quien desee iniciar una empresa en la fabricación de este tipo de carros. Generará bastante información en cuanto al diseño, análisis y construcción de sistemas automotrices, quedando esto, como acervo de la SEPI – ESIME Es un trabajo real de ingeniería.

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XIV

Alcance, Objetivo

ALCANCE En este trabajo se realiza el diseño completo de los sistemas de suspensión y dirección de un carro SAE Mini Baja, así como su construcción. Se hace también análisis dinámico para medir los ángulos de las llantas y mecanismo de dirección, cuando la llanta viaja verticalmente. Se estiman tiempos para el diseño, construcción y pruebas con el prototipo para validar el cálculo teórico.

OBJETIVO Diseñar los sistemas de suspensión y dirección de auto todo terreno tipo SAE Mini Baja, obteniendo las geometrías y formas de todos los componentes, asegurando que los ángulos de dirección y suspensión sean los óptimos para lograr un excelente desempeño del carro sobre caminos accidentados.

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XV

Capítulo 1 Generalidades Sobre Autos Todo Terreno

Capítulo 1 Generalidades sobre Suspensiones y Direcciones en Vehículos Todo Terreno. Los vehículos todo terreno son aquellos que pueden transitar por caminos que los autos convencionales no lo hacen. La finalidad de un vehículo todo terreno determina las características que debe reunir, para superar las condiciones del camino a las que estará sujeto. El sistema de suspensión además de ser sumamente importante para un buen desempeño del carro, también lo es para la salud de los ocupantes, ya que sin este sistema, sería prácticamente imposible viajar a bordo de un automóvil. Este capítulo contiene los aspectos más importantes sobre el desempeño de una suspensión, su impacto en la salud humana y la relación con los autos Mini Baja. Tesis de Maestría Aarón Alejandro Aguilar Espinosa

1

Capítulo 1 Generalidades Sobre Autos Todo Terreno

“La máquina “automovile”, como concepto de desplazamiento es un sentimiento permanente en la sociedad y su futuro está asegurado en el horizonte de la humanidad.” Juan F. Dols Ruiz.

1.1 La Historia del Automóvil en el Mundo. El comienzo de los primeros vehículos con motor ocurrió alrededor de 1769, cuando el ingeniero militar francés, Nicholas Joseph Cugnot (1725-1801) construyó un vehículo con tres ruedas impulsado con vapor, tal como se muestra en la Fig. 1.1. Este carro consistía de un armazón formado por vigas y ruedas de madera recubiertas por una lámina de hierro, era pesada y no contaba con sistema de suspensión. El propósito de este carro fue transportar piezas de artillería. Pocos años después un modelo mejorado fue construido, pero no duró mucho porque durante sus pruebas se estrelló contra la pared causando el primer accidente automotriz. Éste fue seguido por un vehículo de vapor construido en 1784 por el ingeniero, James Watt (1736-1819).

Fig. 1.1 Vehículo con tres ruedas, impulsado con vapor, con el propósito de transportar piezas de artillería

Para 1802, Richard Trevithich (1771-1833) de nacionalidad inglesa, desarrolló un carruaje de vapor que viajaba de Cornwall a Londres. Este encontró su fin cuando se quemó una noche después de que Trevithich olvidó apagar el fuego de la caldera. Sin embargo, el negocio de los carruajes de vapor prosperó en Inglaterra hasta alrededor de 1865, cuando por Tesis de Maestría Aarón Alejandro Aguilar Espinosa

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Capítulo 1 Generalidades Sobre Autos Todo Terreno la competencia con los ferrocarriles y leyes más estrictas en contra de la velocidad, produjo el fin de los carruajes de vapor. El primer automóvil impulsado por un motor a gasolina se produjo en 1886 dándole el crédito a Kart Benz (1844-1929) y Gottlieb Daimler (1834-1900) trabajando independientemente. A finales del siglo XIX los automóviles fueron desarrollados por otros pioneros como fueron Rene Panhard, Emile Lavassor, Armand Peugeot, Frank y Charles Duryea, Henry Ford y Ransom Olds entre otros. Para 1908 la industria automotriz se estableció en los Estados Unidos con Henry Ford, fabricando su famoso modelo T mostrado en la figura 1.2 y la General Motors Corporation fue fundada. En Europa las compañías familiares como Daimler, Opel. Renaul, Benz y Peugeot fueron reconocidas como productoras de automóviles. Es importante observar que para el año de 1909, alrededor de 600 marcas de automóviles americanos han sido identificados. [1.1]

Fig. 1.2 Ford T, fabricado en E. U. a principios del siglo XX

Fig. 1.3 Ejemplo de los llamados SUV (Sport Utility Vehicle)

Con el paso del tiempo, la industria automotriz avanzó considerablemente, la primera y segunda guerra mundial propiciaron el rápido desarrollo de la tecnología en todos los ámbitos, y el transporte terrestre no fue la excepción. Varias marcas se vieron favorecidas con el apoyo económico para desarrollar nuevos y mejores prototipos de autos, en donde se buscaba mayores velocidades, mejores rendimientos, confort, mayor resistencia y vida útil y también que se pudiera circular por casi cualquier tipo de terreno. La figura 1.2 y 1.3 muestran el avance logrado en alrededor de 100 años. Los primeros automóviles fabricados en serie como lo fue el Ford “T” eran rústicos, su sistema de suspensión no aislaba adecuadamente a los pasajeros, de lo accidentado del camino, y la dirección requería que el conductor aplicara un esfuerzo mucho mayor al que se requiere en los autos de hoy, lo que producía cansancio. En los modernos automóviles como es el caso del vehículo de la figura 1.3, el confort y seguridad del pasajero son las características principales en su diseño, sin dejar a un lado el lujo y todos los sistemas que permiten un viaje placentero.

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Capítulo 1 Generalidades Sobre Autos Todo Terreno La cronología de los automóviles es muy extensa y existen varias clasificaciones según los deseos del autor por querer resaltar alguna aplicación o característica particular, tales como, por su uso, tamaño, número de pasajeros, sistemas de propulsión, tipo de combustible, número de ruedas, carrocería empleada etc. Para el estudio de este capítulo, en el cuadro 1,1 se hace una clasificación a grandes rasgos para mostrar las aplicaciones de los vehículos todo terreno y especialmente para ubicar en qué categoría se encuentran los vehículos SAE Mini Baja. Tabla 1.1 Clasificación de autos todo terreno según su uso.

Tipo de uso

Ejemplos Pick-ups 4x4 Vehículos para nieve Vehículos de rescate Patrullas fronterizas Tractores agrícolas Vehículos para vías de ferrocarril

Para trabajo

Carreras 4 x 4 París - Dakar Rallys Baja mil Exhibiciones todo terreno SAE Mini Baja

Deportivo y recreativo

Anfibios Tanques Transporte de soldados Jeeps

Militares

Doméstico y uso diario

Camionetas de lujo. Sedanes

Uso especial

Vehículos lunares

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Capítulo 1 Generalidades Sobre Autos Todo Terreno

1.2 Evolución Histórica de los Sistemas de Suspensión y Dirección. La historia de las suspensiones es tan antigua como la de los carruajes egipcios, por ejemplo, una forma primitiva de muelle se utilizó en el carro de guerra del faraón egipcio Tutankhamen hacia el año 1350 a. JC. El piso estaba formado por tiras de cuero entrecruzadas, que seguramente absorberían parte de las sacudidas de la incómoda marcha. Mas adelante, en la edad media, viajar sobre ruedas resultaba incómodo y lento, por lo que los vehículos de pasajeros eran escasos, los pobres iban a pie y los pudientes montaban a caballo o mulas. Sólo la realeza o damas de alcurnia, o los que no podían montar a caballo a causa de la edad o enfermedad, se permitían el “lujo” de viajar en un carro cubierto, muy almohadillado pero lento y sin suspensión. Para maniobrar un carruaje, el eje delantero giraba sobre un pivote central, lo cual, además de poco seguro, reducía el radio de giro. La solución más eficaz consistía en colocar las ruedas delanteras en un dispositivo, separado y giratorio, hasta que el austriaco Georg Lenkensperger introdujo su sistema de dirección en el siglo XIX. Este permitía que las ruedas delanteras girasen solidarias en los extremos de un eje fijo, este sistema se usa aún en las suspensiones de eje rígido. Los muelles metálicos más antiguos fueron los de ballesta, inventados para los carruajes del siglo XVI, pero no adoptados extensamente hasta mediados del XVIII. La ballesta consta de una serie de láminas o flejes estrechos y ligeramente curvos, de igual anchura pero distinta longitud, sujetos con láminas más cortas en el centro. Los extremos curvos de los flejes más largos se articulaban con los bordes de la carrocería del vehículo , y el centro de la ballesta, que es la parte más gruesa, iba unido al eje de la rueda. Con esto se conseguía un arco flexible, capaz de absorber las oscilaciones. Las ballestas se usan todavía en los camiones y en algunos automóviles de eje rígido. Desde la remota antigüedad se sabía que los materiales elásticos resisten tanto a la torsión como a la flexión. Uno de los primeros usos del caucho, descubierto a principios del siglo XIX, fue precisamente para sustituir los muelles. En 1826, el inglés H. C. Lacy patentó unos cubos de caucho para reemplazar los muelles de acero que se usaban en los coches particulares, y en 1845 se empezaron a usar amortiguadores de caucho en los topes de los vagones ferroviarios. Los muelles helicoidales, aparecidos a mediados del siglo XVIII; son probablemente los más usados, especialmente en sillones y colchones. Hacia 1950, la compañía francesa Citroën introdujo la suspensión hidráulica, en la que amortiguadores hidroneumáticos utilizan un fluido y gas nitrógeno para absorber las sacudidas. Los sistemas de suspensión utilizados en los primeros vehículos estaban integrados por ejes rígidos (dos en total), en los que las ruedas estaban unidas rígidamente entre sí en la parte delantera o trasera de los mismos. De hecho, como el automóvil desciende del carruaje Tesis de Maestría Aarón Alejandro Aguilar Espinosa

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Capítulo 1 Generalidades Sobre Autos Todo Terreno de caballos, los primeros constructores transfirieron la técnica de la suspensión de los carruajes a los coches. Estas técnicas preveían dos ejes rígidos unidos a la caja del vehículo mediante ballestas longitudinales o transversales. Las ruedas estaban forradas de hierro y faltaban los amortiguadores verdaderos. No obstante, el rozamiento de las hojas de las ballestas entre sí facilitaba un cierto amortiguamiento. El estado de las carreteras, la escasa adherencia ofrecida por las ruedas y la limitada velocidad (consecuencia de los dos primeros factores, más que de la potencia de los motores) no exigieron las sofisticaciones alcanzadas por otros órganos del vehículo en los primeros años del siglo XX. A pesar de que las primeras suspensiones independientes aparecieron alrededor de 1903, la gran masa de los constructores se orientó hacia soluciones estándar (en general, ejes rígidos con ballestas y asentamiento con notable ángulo de caída (positivo delantero), que se mantuvieron en vigor hasta los años 30, cuando no tuvieron ya una justificación clara. La primera gran revolución, sobre todo respecto al confort de marcha, fue el neumático, que obligó a una puesta al día de las suspensiones alrededor de 1920, cuando se introdujo el tipo balón. Los 100 años de evolución de las suspensiones del automóvil se pueden dividir en tres fases, cada una caracterizada por una fisonomía particular. [1.2] De 1885 a 1920: El paso del diseño de los carruajes hacia técnicas más adecuadas, por principios de construcción y por prestaciones, a un vehículo de motor. Los esquemas de construcción permanecieron, aunque fueron innumerables los intentos de otras soluciones. La figura 1.4 muestra uno de los primeros automóviles movidos por motor de explosión. El sistema de suspensión era similar al utilizado en los carruajes tirados por caballos.

Fig. 1.4 Automóvil dotado de motor, fabricado en 1886 por Gottlieb Daimler [1.3] Tesis de Maestría Aarón Alejandro Aguilar Espinosa

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Nótese en la figura 1.4, que la suspensión solo consistía de muelles elípticas, y el sistema de dirección era solo un manubrio unido al eje delantero, con la cuál el conductor hacia girar ambas ruedas. El inconveniente era que la dirección era muy inestable y el radio resultaba amplio. Con la constante búsqueda de mejoras en los automóviles, el sistema de dirección se mejoró y se empezaron a usar volantes y sistemas de palancas que permitían una dirección mejor controlada aunque un poco dura. Los sistemas de suspensión solo variaron un poco, ya que el uso de muelles elípticas y en forma de “C” continuaron en uso. La figura 1.5 muestra un auto con dirección controlada por volante y palancas. Nótese el uso de muelles elípticas y el sistema de ruedas directrices, pivotadas en forma independiente sobre un eje rígido.

Fig. 1.5 Coche Holandés; Spyker de 4 cilindros, 1904 [1.3]

De 1920 a 1955: Búsqueda de soluciones con prestaciones presentes y una estabilidad, que hacía poco, se había convertido en una exigencia fundamental. En este periodo fue cuando se produjo la progresiva diferenciación de los esquemas de las suspensiones en función del tipo de coche (posición del motor, tipo de propulsión, condiciones de carga, etc.). En el sector de los coches de prestigio y de competencia se produjo el desarrollo de esquemas nuevos, más complejos, en búsqueda del confort y las prestaciones más sofisticadas. Desde 1955 a los años setenta: Adopción de soluciones ya formuladas teóricamente y consideradas de nuevo con esquemas de construcción adecuados a grandes series (menor Tesis de Maestría Aarón Alejandro Aguilar Espinosa

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Capítulo 1 Generalidades Sobre Autos Todo Terreno costo, mayor fiabilidad, menor mantenimiento). Con mismos objetivos se actuó en busca de soluciones nuevas. También se propusieron algunos esquemas antiguos originales, como el De Dion, el tipo Rover, de las suspensiones intercomunicadas, etc. Desde el punto de vista propagandístico, las soluciones de reclamo encuentran justificación en las tecnologías que permiten ahora una notable reducción de los costos, siendo utilizadas en coches de prestigio, o bien ante la necesidad de ofrecerlas al público, que todavía es atraído por la complejidad técnica. Desde el punto de vista funcional, es necesario subrayar que un cierto esquema de suspensión difícilmente tiene de por sí, unas dotes de estabilidad y de confort superiores a cualquier otro tipo, en el sentido de que el diseño de aplicación de cada esquema y otros numerosos factores (asentamiento, elasticidad, amortiguadores y, sobre todo, la geometría) pueden modificar completamente el comportamiento. Por ejemplo, una buena suspensión de puente rígido puede comportarse mejor, en cuanto a estabilidad, que una sofisticada pero mal realizada suspensión De Dion.

1.3 Importancia de las Masas Suspendidas Un elemento muy importante que está por encima de la investigación cinemática y dinámica de las suspensiones, es el representado por la relación que existe entre las masas suspendidas y las no suspendidas que posee el vehículo, cuanto más ligeros son todos los elementos relacionados con contacto con el terreno (neumáticos, frenos, órganos de elasticidad, y parte de los amortiguadores) respecto a la carga que gravita sobre cada rueda (chasis, carrocería motor, transmisión, pasajeros), tanto menores resultan los rebotes del neumático sobre la superficie del camino, y se debe tener presente que, cuanto más tiempo está el neumático en contacto con el suelo, respecto al tiempo que no lo está, más aumenta su adherencia al piso y por lo tanto se tiene un mejor control del carro. En los carros de turismo, en comparación con los coches de competencia, se puede decir que debe ofrecer sobre todo confort y seguridad de marcha en todas las posiciones y terrenos, además de una dirección rigurosamente precisa. En las curvas se exige una notable estabilidad, mientras que la adherencia en la carretera puede ser limitada a aceleraciones laterales de 0.6 – 0.7 g, y una conducción ligera y no fatigable, cualidades ligadas a los parámetros característicos de suspensiones; en cambio, en un coche de carreras se exige una gran adherencia en todas las posiciones, gran velocidad en las curvas y elevadas aceleraciones laterales (con valores del orden de 1.45 – 1.6 g, además de una gran precisión de conducción, aunque el coche resulte duro, rígido y poco confortable. Todo esto se consigue con suspensiones de rótulas esféricas o articulaciones metálicas, gran rigidez de los elementos de las suspensiones y del bastidor, un mecanismo de la dirección muy sencillo, y una barra estabilizadora muy eficaz y muy rígida. Por lo que respecta al desplazamiento o viaje total de las suspensiones (en la rueda), en los coches de turismo, es de 150 a 200 mm; en los de carreras, se baja a 100 mm. o menos y en los todo terreno de serie, puede variar desde 15mm hasta 600 mm, y en algunos de éstos, hasta 800 mm, en carros de exhibición con suspensiones modificadas. Tesis de Maestría Aarón Alejandro Aguilar Espinosa

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Capítulo 1 Generalidades Sobre Autos Todo Terreno En los más avanzados esquemas de las suspensiones, se busca obtener la llamada "flexibilidad variable", o sea, un progresivo endurecimiento al incrementarse la carga, independientemente de las características elásticas del muelle. El resultado obtenido mediante oportunos mecanismos cinemáticos, permite obtener un comportamiento relativamente blando para pequeños desplazamientos y un endurecimiento para las solicitaciones mayores. Desde el punto de vista del comportamiento en marcha, este sistema permite una buena aptitud para absorber las pequeñas irregularidades del terreno, sin tener desplazamientos elevados como consecuencia de transferencias de carga en aceleraciones, frenados y en las curvas, todo lo cual contribuye eficazmente al confort de marcha.

1.4 Cualidades y Características de Manejo de un Automóvil. Una característica de suma importancia para que el vehículo posea cualidades de manejo y viraje, es que debe mantener rigidez en cualquier dirección, ya que al girar las ruedas en el sentido deseado el vehículo no debe resistirse El resorte o las muelles son el lazo de unión en lo que se conoce como masas suspendidas (piezas que se encuentran arriba de los ejes) y las masas no suspendidas (ejes, llantas, elementos de sujeción, etc. Las muelles de hojas dan elasticidad en el plano vertical, rigidez y resistencia a la flexión en el plano horizontal. Con estas características se puede asumir que se puede realizar la unión entre las masas suspendidas y las no suspendidas, transmitir fuerzas de tracción, frenado, torsión, conducción, impacto, etc. El permitir que las ruedas se muevan hacia arriba y hacia abajo con respecto a las masas suspendidas es la función básica de la suspensión. Al golpear un borde de 8 cm de altura a 50 km/h, sin muelles que disipen la fuerza de la aceleración, se ha medido una fuerza de 7.5 g, lo cual da una idea de las dimensiones y tipos de materiales que se necesitan para diseñar y seleccionar en un vehículo. Además sería imposible que los pasajeros resistieran impactos de esta magnitud. Con lo expuesto se da una idea de la importancia de la suspensión. Lo que hace la muelle al flexionarse cuando recibe carga, es absorber gran parte de la carga y disiparla en forma de energía calorífica, así mismo como alargar el tiempo en que la carga aplicada a la muelle se aplica a su vez al resto del vehículo. Recordando el ejemplo del borde de 8 cm a 50 km/h, la muelle absorbería el impacto en un octavo de seg., en vez de un dieciseisavo que una rueda rígida (sin muelles), la aceleración vertical aplicada se ve reducida a 1 g que son valores aceptables para el cuerpo humano. Cabe hacer notar que la muelle no aísla al vehículo de los choques transmitidos por las ruedas. Estos choques son transmitidos pero en forma suavizada, de manera que los alarga y los ablanda. Sin embargo, el vehículo termina por recibir todas las fuerzas que la muelle tiene que absorber por flexión. Tesis de Maestría Aarón Alejandro Aguilar Espinosa

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Debido a que los resortes se deforman al aplicarse una fuerza y al cesar esta, su oscilación es teóricamente infinita, esta ley se cumple en las muelles, por lo cual hubo que desarrollar un elemento que permitiera absorber las ondulaciones. Ya que las masas suspendidas se sujetan en las muelles, la carrocería oscila, sin embargo con los amortiguadores se controla y reduce al mínimo los niveles de vibración. La frecuencia de la mayoría de los sistemas de suspensión modernos es entre 70 -80 c/min. - 1.16 a 1.33 Hz. La amplitud de las oscilaciones es usualmente entre 30 - 80 mm., aunque varía mucho con las condiciones del camino y velocidad de operación del vehículo. Cuando el vehículo en marcha tropieza con algún obstáculo, las muelles del sistema absorben la energía y la disipan para devolver a las masas suspendidas a su posición original; la función del amortiguador es absorber gran parte de esa energía y disiparla en forma de calor y trabajo mecánico. (movimiento de fluidos), resultando con esto un retorno más lento a la posición estable y sobre todo con un menor número de ciclos y cada ciclo a su vez de menor amplitud. El amortiguador hidráulico es definido como un dispositivo hidro-mecánico que absorbe, transforma y disipa la energía de un sistema vibratorio. Basándose en el principio de la conservación de la energía se puede establecer lo siguiente : La energía proporcionada por la vibración de masas en el sistema se convierte en energía mecánica en forma de movimiento relativo entre el cuerpo del amortiguador y el embolo del mismo y en compresión y dilatación de los bujes de hule en los soportes y conexiones del amortiguador al sistema. En estos últimos, la energía se disipa en forma de energía calorífica, en tanto que en el interior de un amortiguador se manifiesta como: -Energía mecánica por movimiento de fluidos -Energía mecánica por movimiento de válvulas y componentes -Energía térmica por fricciones mecánicas -Energía térmica por movimiento de fluidos y turbulencias -Energía térmica por fricciones intermoleculares -Energía acústica por fluidos y turbulencias -Energía acústica por fricción. Un vehículo sustentado en sus resortes y llantas, es un sistema sumamente complicado, en él se encuentran las masas suspendidas, las no suspendidas y ocho diferentes resortes (4 muelles, 4 llantas). Un cuerpo libre en el espacio tiene seis grados de libertad: puede oscilar hacia arriba y hacia abajo, hacia delante y hacia atrás, desplazarse para delante y para atrás (las tres traslaciones) y puede tener tres rotaciones conocidas con los nombres técnicos de: Tesis de Maestría Aarón Alejandro Aguilar Espinosa

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1.- Mecimiento con respecto al eje longitudinal 2.- Balanceo con respecto al eje transversal 3.- El vaivén con respecto al eje vertical Puesto que un vehículo es un cuerpo en el espacio, presenta 18 grados de libertad; sin embargo, gran parte de ellos carecen de importancia, los más importantes son: 1.- El vaivén hacia arriba y hacia abajo de las masas suspendidas 2.- El balanceo de las masas suspendidas 3.- El vaivén hacia arriba y hacia abajo de los ejes 4.- El mecimiento de los ejes. Los elementos elásticos del sistema de suspensión se pueden dividir en dos grupos, en función de las características de rigidez de estos. El primer grupo lo componen aquellos elementos con característica lineal y el segundo grupo aquellos en que su característica de rigidez es no lineal. Sin embargo, pueden existir una combinación de ambos. Para el caso de resortes helicoidales el comportamiento de su rigidez es lineal, por lo que el análisis de una suspensión de este tipo, es más sencillo que el de una suspensión de aire, la cual es no lineal.

1.5 Importancia de las Suspensiones, respecto a la Salud Humana. Uno de los más importantes aspectos en el diseño de un vehículo es la suspensión. Con esta palabra se abarca no solo los resortes u otros medios mediante los cuales la carrocería es protegida de los impactos a los que las ruedas se ven inevitablemente sujetas, estos impactos son generados por la reacción del camino sobre el tren de rodaje, desbalance de las masas del motor y piezas del sistema de transmisión. Estos impactos producen vibraciones mecánicas y las mismas son la causa principal de cansancio en las personas y fracturas en partes mecánicas y estructurales. Para disminuir el efecto de los impactos sobre las personas que ocupan cualquier tipo de vehículo, se coloca el llamado sistema de suspensión, abarcando amortiguadores, barras estabilizadoras, barras de torsión y otros dispositivos que por lo general están escondidos debajo del vehículo, pero que tienen un efecto directo y fundamental sobre la conducción. Las vibraciones que reciben los pasajeros durante el movimiento del vehículo, depende de la suavidad de marcha. La suavidad de marcha influye en el estado físico y mental de los ocupantes, provocando en diferentes grados, cansancio, mareos, irritación, etc. El movimiento de un vehículo se considera suave cuando las componentes armónicas no poseen las amplitudes y frecuencias tales, que el hombre pueda percibir en forma desagradable. Tesis de Maestría Aarón Alejandro Aguilar Espinosa

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Capítulo 1 Generalidades Sobre Autos Todo Terreno El cuerpo humano, reacciona a las vibraciones de diferentes formas dependiendo de la posición en que se encuentre: parado, sentado, acostado, etc., así como a la posición del eje de vibraciones: transversal, vertical, etc. La persona sentada percibe más intensamente el efecto de las vibraciones verticales de baja frecuencia en el rango de 0 -100 Hz. [1.5] Las investigaciones realizadas mediante vibradores especiales y aparatos de rayos "x" sobre personas sometidas a vibraciones verticales, han dado por resultado, entre otros, que las vibraciones más perceptibles por el hombre son las de 5 -20 Hz. con estas frecuencias entran en resonancia la cabeza y los órganos internos del hombre. [1.5] Uno de los primeros y en la actualidad muy usado, es el criterio de la menor frecuencia libre sin amortiguamiento sobre la carrocería. Este criterio se basa en que si esta frecuencia corresponde con el número de impulsos que percibe una persona caminando, entonces los ocupantes de un vehículo en movimiento no sentirán una sensación desagradable. El número de impulsos que recibe una persona caminando, depende de la longitud de su paso y de la velocidad con que se mueve. Debido a que la velocidad promedio del hombre caminando oscila entre 3 - 4 km/hr. con un paso de 0.75 m, las frecuencias libres sin amortiguamiento son entre 65 -90 ciclos/min. – 1 a 1.5 Hz.

1.6 Vehiculos Todo Terreno El presente trabajo se enfoca en características de un carro todo terreno, por lo que ahora se explicará el porque surgió la necesidad de diseñar este tipo de vehículos y cuales son sus principales características. La mayoría de automóviles se diseñan pensando en que la mayor parte del tiempo que estarán en uso, se conducirán por caminos pavimentados, de terrecería o por lo menos de una superficie regular. Debido a la necesidad de transitar por lugares en donde aún no existen caminos, o los que existen presentan gran deterioro como para poder ser atravesados por un auto de características normales, se pensó en hacer carros que pudieran librar todos aquellos obstáculos que otros no lo podían hacer. En los inicios de los automóviles se pensó no solo en utilizarlos en ciudades y carreteras, si no también para el trabajo en granjas, como es el caso de los tractores o para hacer expediciones. Por lo tanto, el propósito inicial de los vehículos todo terreno fue el de poder circular por lugares en donde los carros normales no pueden hacerlo. La primera y segunda guerra mundial propiciaron el inicio de los carros todo terreno, como por ejemplo, el legendario Jeep, que fue de gran utilidad a los norteamericanos para atravesar por lugares por donde otros vehículos no lo podía hacer. Este carro fue uno de los primeros que contaban con transmisión en las cuatro ruedas, distancia más corta entre ejes y con una altura mayor para que las irregularidades del terreno no lo detuvieran en nada. Estos y

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Capítulo 1 Generalidades Sobre Autos Todo Terreno otros vehículos denominados todo terreno, han ido evolucionando, así como los aditamentos y equipo para circular por caminos cada vez más difíciles. Una característica de casi todos los vehículos todo terreno fabricados en serie es que cuentan con un sistema de tracción en las cuatro ruedas; llamado doble tracción, lo que es diferente a los autos normales que solo cuentan con transmisión en dos ruedas, ya sea en las delanteras o en las traseras. Algunas de estas características se añaden no solo a automóviles de serie, sino también a los de exhibición y competencia. Desde sus inicios, los fabricantes de automóviles y agrupaciones de ellos han creado competencias para comparar las características y adelantos de sus carros. Esto dio origen a un deporte conocido como automovilismo y dentro de este existen varias categorías, así como diferentes tipos de competencia. Una de las clasificaciones es la de carreras de autos tipo todo terreno, la que a su vez, tiene diferentes categorías y tipos.

1.6.1 Tipos de Vehiculos Todo Terreno Existen numerosos tipos de esta clase de carros, casi cada marca tiene algún modelo todo terreno. Las características que ofrecen estos vehículos van desde los puramente funcionales, es decir, específicamente para transitar por este tipo de caminos como los Jeeps o Hummbies del ejercito, hasta los que son de lujo como es el caso de los llamados SUV (Sport Utility Vehicle), que cuentan con sistemas completos de aire acondicionado, computadora de viaje, equipo de sonido, suspensiones y direcciones asistidas, etc. Las características principales de estos vehículos son que cuentan con suspensiones especiales, ya sea independientes o de eje rígido, transmisión en las cuatro ruedas, son altos, y de construcción más robusta que los automóviles normales, su precio es elevado debido a que cuentan con un mayor equipamiento en la transmisión y suspensión. Existen también los carros de competencia, los cuales varían aún más que los de línea porque son diseñados y construidos especialmente para las condiciones de la pista en donde correrán. Un ejemplo de estos son los construidos para competencias internacionales que se corren en nuestro país, tales como la Baja Mil, o la Baja 500, la figura 1.6 muestra un carro de competencia de este tipo de eventos. En México se realizan varias competencias de carros todo terreno en cada una de ellas participan carros de diferentes tipos, algunos de ellos son vehículos de serie arreglados para tal competencia y otros son diseñados exclusivamente para ello.

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Fig. 1.6 Carro de carreras tipo todo terreno, categoría Baja Mil.

También existen automóviles que se utilizan para trabajo y uso militar. Los carros de trabajo van desde tractores, camionetas pick up, jeeps, cuatrimotos, etc. Los carros de uso militar son de construcción aún más robusta y con sistemas de transmisión, suspensión y dirección especiales, estos abarcan desde tanques de guerra, camiones, anfibios, jeeps, hummbiees, etc. Un ejemplo de carros de trabajo es el versátil carro alemán Unimog, fabricado por la firma Daimler – Benz, el cual es considerado como uno de los mejores vehículos todo terreno de uso rudo, este transporte es capaz de trabajar en condiciones extremas como rescate, industria ferroviaria y militar, la figura 1.7 muestra uno de los primeros vehículos Unimog usados a finales de la segunda guerra mundial.

Fig. 1.7 Ejemplo de los primeros vehículos todo terreno de uso militar. Fuente: revista Todo Terreno Automóvil, edición especial, junio 2003

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1.7 Vehículos SAE Mini Baja. Los carros SAE Mini Baja son creados por estudiantes de universidades de diferentes países, con el objetivo de aplicar sus conocimientos y habilidades adquiridos durante su formación profesional, así como propiciar la experiencia en proyectos reales de ingeniería. Los vehículos son diseñados bajo ciertas normas especificadas por SAE; el motor, medidas generales, y los aspectos de seguridad son estandarizados para todos los carros. Estos carros se prueban en eventos organizados anualmente en Estados Unidos y otros países como Brasil, Sudáfrica, Corea y México. En vehículos SAE Mini Baja, las condiciones del terreno son determinantes para el diseño de los sistemas, en especial la suspensión, que es uno de que tienen mayor probabilidad de fallar, porque la prueba principal es una carrera de 4 horas de duración en condiciones extremas sobre lodo, nieve, rocas, troncos, vados con agua, pendientes muy pronunciadas, volcaduras, choques, etc. Debido a que es un auto monoplaza y su tamaño está restringido por las normas de SAE Mini Baja, el carro es de dimensiones pequeñas; no mayores a 152.4 cms. (ancho total con todo y ruedas) x 243.84 cms. (largo total con todo y ruedas), esta ventaja hace posible tener una distancia corta entre ejes y por lo tanto puede atravesar por lugares con obstáculos grandes. Para este tipo de competencias la suspensión y dirección deben reunir los siguientes aspectos fundamentales: buena altura con respecto al piso; mayor de 30 centímetros, amplio viaje de la suspensión; entre 12 y 20 centímetros es suficiente, llantas anchas, altas y con una presión de aire que le permita rebotar si es necesario, el radio de giro lo recomiendan diseñar no mayor a 2.5 metros Para la competencia Mini Baja West, existe una prueba llamada “Paso sobre rocas”, la cual consiste en un circuito estrecho, formado por grandes rocas, vados y curvas El carro debe pasar por ellas en el mejor tiempo posible y sin tocar o derribar los conos que indican el recorrido, para demostrar el desempeño de su suspensión y potencia. Si se desea conocer más información acerca de competencias Mini Baja se puede consultar las referencias. 1.6, 1.7 y 1.8.

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1.8 Definición del Problema. La suspensión de autos todo terreno, está sometida constantemente a cambios bruscos de fuerzas, durante un número elevado de ciclos tal que sus elementos están propensos a fallar en cualquier instante, de no contar con un buen análisis y diseño, los elementos más críticos son las rótulas, llantas, los brazos y el poste de dirección. Las llantas pueden fallar por un golpe fuerte sobre una roca, por elementos punzantes, o por una volcadura, la cual, puede dañar severamente al chasis, suspensión y transmisión. Una de las piezas más importantes en la suspensión delantera es el poste de la dirección, llamada en ingles knuckle, la cual conjunta las rotulas de la suspensión, los rodamientos y soporte de la llanta, así como el brazo de dirección que lo hace girar alrededor del eje imaginario formado por las rótulas. Por lo tanto, para el diseño de esta pieza se requiere el análisis de los esfuerzos a los que estará sometido, así como de la forma y dimensiones necesarias para trabajar correctamente en cada uno de los ángulos de dirección requeridos. En carreras Mini Baja es común que un mal diseño provoque que esta pieza falle por fractura o proporcione un mal funcionamiento a la dirección, ocasionando daño en las rótulas y varillaje. El presente trabajo pretende hacer un análisis y diseño adecuado para cada elemento de los sistemas de suspensión y dirección, integrando todos los ángulos y dimensiones de estos sistemas, que sea de geometría sencilla para que su manufactura sea posible y su resistencia le permita terminar las carreras a las que asistirá, sin que sufra daños considerables, además de hacer una óptima selección de los componentes que vayan a ser comprados e integrarlos para así asegurar un buen desempeño de ellos. También se estudiará la forma de que la suspensión no provoque oscilaciones que afecten la salud del conductor, durante una carrera de 4 horas, sometido a cambios constantes y aleatorios del camino. Se pretende al terminar esta tesis, haber asistido a tres carreras en donde se pondrá a prueba el diseño de todo el carro, por lo que, el diseño de la suspensión y dirección tendrá que ser compatible con el diseño del chasis y transmisión.

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1.9 Referencias. 1.1 Thomas D. Gillespie, Fundamentals of Vehicle Dynamics, SAE 400 Commonwealth Drive Warrendale, PA 15096-0001,. 1.2 José Font Mezquita, Juan F. Dols, Tratado sobre Automóviles, Tomo I, Universidad Politécnica de Valencia. Alfaomega 2001. 1.3 Selecciones; Inventos que cambiaron al mundo, Reader´s Digest de México, 1983. 1.4 Jesús Calvo Martín, Antonio Miravete de Marco, Mecánica del Automóvil Actualizada, Universidad de Zaragoza, 1997. 1.5 Daniel Amaro Barrera, Miguel A. Ponce García, Modelo Matemático Para el Diseño de una Suspensión con Muelles Elípticas, Instituto Tecnológico de Tlalnepantla, Centro de Graduados e Investigación, 2000. 1.6 www.sae.org 1.7 Plata Contreras Gerardo. Diseño, Análisis y Construcción de un carro SAE Mini Baja, Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN. México, 2003. 1.8 Francisco Rosales Iriarte. Diseño y análisis de una transmisión de velocidad variable para un auto SAE Mini Baja. Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN. México, 2003

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones. El diseño de la suspensión y dirección requiere de un estudio completo acerca de la cinemática, dinámica y geometrías necesarias para obtener un buen desempeño, sobretodo porque la suspensión es el sistema que soporta el carro y aísla a sus ocupantes de los impactos generados por las irregularidades del camino, además de que debe transmitir la menor cantidad de energía posible al chasis El análisis de la dirección depende de la geometría de la suspensión delantera, de la altura del carro y del radio de giro deseado. Este capitulo contiene la teoría necesaria para el diseño de ambos sistemas.

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

“Si pude ver más lejos, es porque estuve parado sobre los hombros de gigantes”. Isaac Newton.

2.1 Aspectos Teóricos sobre Direcciones. La dirección es el conjunto de mecanismos que tiene como misión el permitir al conductor girar las ruedas delanteras según la voluntad, de forma que el vehículo tome la trayectoria deseada, haciendo así al vehículo virar en las curvas, evitar colisiones con otros vehículos y hacer maniobras en general. Las principales características en el diseño de los mecanismos y elementos que integran la dirección del automóvil son lograr una reversibilidad controlada, es decir permitir al conductor la suficiente sensibilidad sobre la carretera, como para proporcionar un control efectivo del vehículo, sin que las irregularidades del terreno puedan repercutir negativamente en la fiabilidad de la dirección o en el confort de la conducción, además se debe buscar un mecanismo lo suficientemente suave como para permitir su accionamiento en maniobras a baja velocidad (como estacionar el vehículo), y a la vez, lo suficientemente robusta para asegurar una estabilidad aceptable en la trayectoria del vehículo en velocidades medias y altas. Una dirección debe ser suave, es decir, permitir una buena maniobrabilidad sin necesidad de realizar grandes esfuerzos sobre el volante. Una forma de lograr esto es mediante un adecuado sistema desmultiplicador o bien mediante un mecanismo de servoasistencia. De lo suave que resulte la dirección, dependerá que tan precisa sea al momento de ir por la trayectoria deseada, una dirección muy suave provocará perdida de precisión debido a que el volante se mueve ligeramente de un sentido a otro, provocando movimiento del vehículo de un lado a otro del camino, por otro lado, si la dirección fuera excesivamente dura, la conducción resultaría fatigosa e imprecisa. Algunas causas que pueden provocar imprecisión en la dirección son: •

Excesivo juego en los órganos de la dirección

• •

El alabeo o abolladura de las llantas de las ruedas Un desgaste desigual en los neumáticos

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•

El desbalanceo de las ruedas y el zigzagueo que de él se deriva y que se transmite hasta el volante.

•

La inadecuada presión de inflado de las llantas, que si no es la misma en las dos ruedas directrices provocará que el vehículo tienda a irse hacia una de los lados.

La estabilidad es la característica básica de la dirección y se consigue como conjunción de todas las características anteriores y resulta fundamental para garantizar la seguridad de la conducción. Ésta depende también de los factores como la fiabilidad en el diseño del mecanismo, el proceso de fabricación, la calidad de los materiales empleados y un entrenamiento general adecuado en el manejo de un auto.

2.2 Geometría de la Dirección. La dirección debe cumplir con cierta geometría para poder funcionar adecuadamente, esto no es otra cosa a que la posición relativa que tienen que cumplir los elementos que componen la dirección (elementos de mando, ruedas y suspensión), para determinar la posición de las ruedas en movimiento sobre el terreno y que influyen de forma determinante sobre el comportamiento dinámico del vehículo. La geometría tiene que ver más que nada con los virajes, pues en cada uno, las llantas giran un ángulo diferente una de la otra, debido a que cada llanta tiene distinto radio de curvatura. Si la orientación de ambas ruedas fuera la misma en todo momento, cada una de ellas giraría con respecto a un centro de rotación distinto, lo que supondría que una de las ruedas sería arrastrada por la otra, puesto que las ruedas, al virar con centros de giro distintos, tenderían a variar la distancia entre ellas; dado que esto no se puede permitir debido a la rigidez de los mecanismos de tracción y dirección, se encontrará con que una de las ruedas (si no es que las dos) sufrirá un deslizamiento lateral que (además de suponer una mayor dificultad en el accionamiento y ajuste de la dirección) provocaría un desgaste inaceptable en el neumático acortando su vida de forma drástica. Es por esto que las ruedas deben tomar en una curva orientaciones diferentes y tales que las prolongaciones de sus ejes coincidan en un centro de giro común, tal como se puede apreciar el la figura 2.1. Algo análogo debe ocurrir con las llantas traseras con respecto a las delanteras ya que, todo vehículo tiene que girar como un sólido rígido y por tanto cualquier par de puntos del mismo deben recorrer trayectorias paralelas entre si.

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

Fig. 2.1 Geometría de las ruedas delanteras. [2.1]

Las ruedas traseras siguen la trayectoria curva, gracias al diferencial que permite dar a la rueda exterior, mayor número de vueltas que a la interior, pero como estas ruedas no son orientables y para seguir su trayectoria debe abrirse mas la rueda exterior, resulta de ello un cierto resbalamiento en curva, imposible de corregir, que origina una ligera pérdida de adherencia. La figura 2.2 muestra claramente la circunferencia descrita por las llantas delanteras de un automóvil. La rueda interior describe una circunferencia menor

La rueda exterior describe una circunferencia mayor R

Fig. 2.2 Trayectoria de ruedas delanteras durante un viraje de 360°

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

2.3 Cinemática de la Dirección. Los primeros vehículos basaban su sistema de dirección en un eje delantero rígido que giraba de forma solidaria con las ruedas como respuesta al giro del volante por parte del conductor. La figura 2.3 muestra una dirección de eje rígido y una de eje partido. Nótese como en a) y b), las ruedas directrices describen el radio de giro adecuado, mientras que para el sistema de eje partido se tiene que hacer el arreglo de los brazos de dirección describan ángulos diferentes y a su vez tengan el mismo punto de radio de giro.

a)

b)

c)

Fig. 2.3 Sistema de dirección; a) rueda única, b)eje rígido, c) Eje partido.

Uno de los inconvenientes de la dirección de eje rígido, es que resultaba inestable porque cualquier irregularidad en el terreno influía en forma importante en la dirección, además es necesario un mayor esfuerzo para hacer girar el eje de las llantas, por lo que se requerían desmultiplicaciones junto con volantes de grandes dimensiones, para vehículos de un peso mayor (como los actuales). Otros inconvenientes para este tipo de dirección era que el radio de giro resultaba excesivamente amplio, debido a que el eje delantero sólo podía ser girado hasta cierto punto, consecuentemente, la suspensión delantera para un vehículo de esos resulta muy compleja . El sistema de dirección de eje rígido fue abandonado a finales del siglo pasado, quedando limitado a vehículos especiales de usos muy específicos y de velocidades bajas.

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

2.3.1 Sistema Ackerman. Para evitar tener que girar todo el eje delantero, se optó por hacer girar las dos ruedas sobre puntos de pivotamiento distintos. El sistema de Ackerman reducía en gran medida el valor de par que era preciso aplicar a la tirantería de la dirección al reducirse de forma notable el valor del radio de pivotamiento de las ruedas. Esto permitía reducir en gran medida, el grado de desmultiplicación en el mecanismo de la dirección, y como consecuencia, aumentar la capacidad de maniobrabilidad de los vehículos. El sistema de Ackerman evitaba todos los inconvenientes vistos para el eje rígido, pero involucraba un nuevo problema, al girar un mismo ángulo las dos ruedas directrices, las trayectorias recorridas por ambas no eran paralelas y, por lo tanto, las ruedas deslizaban en las curvas. La figura 2.4 muestra la geometría Ackerman. Dirección de barras paralelas

Barra central

Brazo de dirección Barra de enlace

Brazo de dirección Brazo Pitman

Brazo esclavo

Barra de enlace

La geometría de las barras causa la convergencia en los virajes.

Fig. 2.4 Sistema de dirección basado en geometría Ackerman [2.2]

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Para evitar el deslizamiento, y con el fin de que las ruedas recorran trayectorias paralelas concéntricas, es preciso disponer de un mecanismo que permita girar las dos ruedas delanteras según dos ángulos progresivamente diferentes. Aunque no existe ningún mecanismo simple que cumpla con esta condición geométrica de forma exacta, Jeantaud construyó en Francia en 1878 un mecanismo que satisface en forma bastante precisa a esta condición, para un intervalo de valores de ángulos girados por las ruedas comprendido entre 25° y 27°, para valores de ángulos menores las desviaciones en los valores son de un 2% aproximadamente, mientras que para ángulos mayores las desviaciones crecen en forma considerable. Jeantaud encontró que el viaje correcto se conseguía con bastante aproximación cuando la orientación de los brazos de la dirección era tal que sus prolongaciones se cortaban en la mitad del eje trasero. Estas desviaciones se ven también modificadas, en parte por el hecho de que las ruedas no se encuentran en un plano vertical y suelen presentar una ligera convergencia. El sistema de Jeantaud se ha impuesto actualmente como solución cinemática de los sistemas de dirección de la práctica totalidad de los vehículos automóviles. En un vehículo de dos ejes, de los cuales uno es director (Fig. 2.5 a), el dispositivo de mando de las ruedas debe ser tal que, si el conductor impone un ángulo de orientación o de viraje α a una de las ruedas, la otra rueda debe virar un ángulo β para que las perpendiculares a las trayectorias de las dos ruedas se corten en un punto l situado sobre la prolongación del eje no director. Para obtener gráficamente los ángulos de orientación teóricos exactos, es suficiente construir un rectángulo (Fig. 2.5 b) cuya base sea la distancia 2a entre los ejes de giro o pivotes y como altura la distancia entre ejes e, para traer luego la recta DE que une el centro de la base A B con un vértice inferior del rectángulo. Las rectas que unen los puntos A y B con un punto F cualquiera de DE determinan dos ángulos de orientación correctos α y β para un viraje a la derecha. La condición geométrica que debe cumplirse para conseguir ese efecto se traduce a:

cot β − cot α =

2a e

2.1

[2.1]

La recta ED de la figura 2.5 b es la representación gráfica de la relación teórica que debe existir entre la distancia entre los ejes de giro o pivotes, la distancia entre ejes y los ángulos de orientación de las dos ruedas.

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a)

b)

c)

Fig. 2.5 Sistema de dirección de ejes directrices a) ángulos de orientación teóricos exactos b) y c) relación teórica que debe existir entre la distancia entre los ejes de giro o pivotes, la distancia entre ejes y los ángulos de orientación de las dos ruedas. [1]

2.3.2 Relación entre los Elementos del Trapecio de Jeantaud. La solución dada por Jeantaud sólo permite obtener un resultado satisfactorio para todos los ángulos de orientación, a condición de que la longitud R de las palancas de acoplamiento y el ángulo γ que forman estas palancas con el eje, sean adecuadamente elegidos (Fig. 2.5 c). Para conocer la longitud R que corresponde a un ángulo γ, es suficiente construir un rectángulo ABCD (Fig. 2.5 c) cuya base sea la distancia 2a entre los ejes de giro o pivotes, y como altura la distancia entre ejes e, para trazar luego, a partir de un vértice A por ejemplo, una recta que forme un ángulo γ con la base AB, por lo tanto, la longitud R de la palanca de acoplamiento correspondiente al ángulo γ es igual a :

R=

HE 2

o GE

2.2

[2.1]

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2.3.2.1 Relación Teórica entre los Ángulos de Viraje. Considerando la Fig., 2.6 a) el rectángulo ABCD cuya base es la distancia 2a existente entre los ejes de los pivotes, y cuya altura es la distancia entre ejes e del vehículo. En atención al afecto de la caída y de la salida, la distancia 2a puede tomarse igual a la distancia entre los puntos de pivote de las ruedas delanteras. La perpendicular al plano de la rueda derecha, orientada según un ángulo α, corta la prolongación del eje no director CD en el punto I. Para que el punto I sea un centro instantáneo de rotación, es necesario que el plano de la rueda de la izquierda sea perpendicular a AI, o sea, que esta rueda gire un ángulo β. La relación teórica que debe existir entre los ángulos α y β se obtiene de la siguiente manera: En los triángulos rectángulos ACI y BDI se tiene: AC = CI * tg β y BD = DI * tg β , e = (2 a + DI) tg β

y e = DI * tg α.

Eliminando D I entre estas dos igualdades y sustituyendo tg α y tg β 1 1 y se obtiene: cot β cot α cot β − cot α =

respectivamente por

2a e

relación que permite, para un vehículo determinado, calcular para cualquier valor de α, el valor de β que teóricamente debe corresponderle.

2.3.2.2 Representación grafica entre los Ángulos de Viraje. Construyendo un rectángulo de base 2 a y de altura e, tal como se muestra en la Fig. 2.6, sea E el punto medio de A B y trazando la recta E D. Considerando en B un ángulo µ y η satisfacen la relación: cot β − cot α =

2a e

que debe existir entre los ángulos de orientación o de viraje.

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Fig. 2.6 Representación gráfica entre ángulos de viraje. [2.1]

o En efecto, en los triángulos AFI y BFI se tiene: FI = AI * tg η

y

FI = IB * tg µ

o tg η =

FI AI

y

tg µ =

FI IB

cot η =

AI FI

y

cot µ =

IB FI

o

o cot η - cot µ =

AI − IB 2 EI = FI FI

considerando los triángulos semejantes EFI y EDB. Se tiene:

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EI EB = FI BD Luego, cot η - cot µ =

2 EB 2a = BD e

De donde se deduce la ecuación 2.1 para obtener los ángulos teóricos de viraje.

2.3.2.3 Relación entre los Elementos del Trapecio de Jeantaud. Supóngase (Fig. 2.7) que la mangueta de la rueda de la derecha experimenta una rotación de un ángulo α . Si la condición del centro instantáneo de rotación se satisface rigurosamente, la rueda de la izquierda deberá girar un ángulo β dado por la relación. cot β − cot α =

2a e

y los puntos D y C deberán pasar por D´y C´

Fig. 2.7 Relación entre los elementos del trapecio de Jeantaud. [2.1]

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En la práctica, las cosas ocurren de distinta manera. Debido a la acción de una rotación α de la rueda derecha, el punto D pasa a D´ y C a C´´, es decir, a la intersección de dos circunferencias: la primera descrita desde AC como radio y la segunda desde D´ como centro con DC como radio. Si el ángulo C´´ AC es diferente de β , existe un centro instantáneo de rotación para cada rueda, puesto que la condición:

cot β − cot α =

2a e

ya no se cumple. La aproximación de la solución adoptada puede estar caracterizado por cada ángulo α : a) por la diferencia entre el ángulo β teórico y el ángulo C´´ AC real o, b) por la diferencia I I´ que separa los dos centros instantáneos de rotación o, c) por la diferencia entre las longitudes CD y C´D´. es posible, recurriendo a la geometría analítica y a los desarrollos en serie, estudiar, por ejemplo, las variaciones de la diferencia C´ D´- CD en función de los otros elementos del trapecio de Jeantaud. M. Bricard [2.1] realizó un estudio de esas variaciones y obtuvo el siguiente resultado:

R=

e  1  2a −   2  cos λ senλ 

donde: R e 2a λ

= = = =

longitud, en metros, de las palancas o brazos de dirección distancia entre ejes, en metros distancia entre puntos de pivote delanteros, en metros ángulo, en grados, que forman los brazos de dirección con el eje delantero cuando las ruedas están en la posición de marcha en línea recta.

Esta fórmula muestra que la magnitud del ángulo λ y la longitud de R están rigurosamente relacionados con la distancia entre puntos de pivote delanteros y la distancia entre ejes. Con ella se pueden calcular uno de los elementos cuando se conocen los otros tres, o determinar la relación que debe existir entre dos elementos cuando se conocen los otros dos.

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2.3.2.4 Representación grafica del valor de R. Considerando la figura 2.5 c, cuyo rectángulo de base 2a y altura e, y trazando desde A una recta formando con AB un ángulo λ y sea E el punto de intersección de esta recta con la prolongación del lado BD y H su punto de intersección con CD. En el triángulo rectángulo ABE se tiene: AB= AE cos λ

o

AC = AE cos λ

2a = AE cos λ

o

en el triángulo ACH se tiene: AC = AHsenλ

o

AC = AH senλ

o

e = AH senλ

sustituyendo estos valores en la expresión de R, se obtiene: R=

1 ( AE − AH ) = 1 HE 2 2

de donde se deduce la ecuación 2.2

2.4 Geometría de las Ruedas. Además de la geometría de la dirección, las ruedas delanteras también requieren de ciertos ángulos para permitir al automóvil una dirección recta, regresar a esa misma posición después de haber dado una vuelta y controlar el vehículo con un mínimo esfuerzo. Los ángulos de las ruedas son los siguientes: inclinación del eje de dirección, camber (caída), caster (avance) y convergencia

2.4.1 Inclinación del Eje de Dirección y Radio de Pivotaje. Considerando en primer lugar y de una forma simple una rueda delantera de un automóvil con su mangueta y eje de pivotamiento (fig. 2.8). Supóngase que en este montaje, tanto la rueda, como el eje de pivotamiento, se mantienen verticales. Cualquier tipo de esfuerzo que haya de soportar la rueda, bien sea debido al propio peso del vehículo o a las fuerzas originadas durante la conducción. Estas se transmitirán a sus elementos de fijación, así como también al eje de pivotamiento.

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

Fig. 2.8 Eje de pivotamiento de rueda delantera. [2.3]

La distancia A-B hace las veces de un brazo de palanca a través del cual se transmiten al eje de pivotamiento los esfuerzos que se originan en la rueda. Por lo tanto, los esfuerzos que ha de soportar el eje de pivotamiento serán tanto mayores cuanto mayor sea esta palanca, es decir la distancia A-B. Cuando en un montaje como el indicado, el conductor quiere hacer girar la rueda, no solo debe hacer que la mangueta gire alrededor del eje de pivotamiento, sino que ha de hacer que la rueda recorra la trayectoria A-C (fig. 2.8). La primera conclusión a la que se llega como consecuencia de las observaciones anteriores, es que para ahorrar trabajo y esfuerzos innecesarios, debería reducirse todo lo posible la distancia A-B. A esta distancia se le conoce como radio de pivote. En la práctica, esto se consigue aproximando el eje de pivotamiento todo lo posible a la rueda para hacerlo coincidir con el parche de contacto de la llanta, formando el ángulo “i”(mostrado en la fig 2.9) con respecto al plano vertical. El ángulo “i” se denomina inclinación del eje de pivotamiento, salida o King-Pin. Asimismo, el ángulo”c” facilita el pivotamiento de la rueda en la medida que el punto A se aproxima más aún al B. Al ángulo “c” se le denomina caída o camber.

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

Fig. 2.9 Inclinación del eje de pivotamiento. [2.3]

En la mayoría de los vehículos se utilizan ángulos de inclinación y de caída, cuyas magnitudes son el resultado de ponderar adecuadamente las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos. La caída produce el efecto de que las ruedas tiendan a separarse hacia el exterior del vehículo. De no ser compensada esta situación, traería consigo un derrape continuo de las ruedas directrices que darían lugar a un desgaste inadmisible de la banda de rodadura. Para compensar esta situación se dota a las ruedas delanteras de otro ángulo característico de la dirección; la convergencia.

2.4.2 Convergencia. La convergencia consiste en cerrar las ruedas ligeramente por la parte delantera y abrirlas por la trasera (convergencia positiva), de tal modo que la tendencia a abrirse producida por la caída queda neutralizada. La convergencia es positiva cuando las ruedas directrices están abiertas por delante, cuando estan cerradas por atrás, se dice que la convergencia es negativa.

2.4.3 Avance. El ángulo de avance, también llamado caster, es el ángulo formado entre el eje de dirección y la línea vertical a través del eje de giro de la llanta, como se ve desde la parte lateral del vehículo. El peso del vehículo está justo debajo a través de una línea vertical. La dirección y movimiento de las cargas del vehículo van a través del eje de dirección. El eje de dirección es una línea imaginaria dibujada a través de los centros de las rótulas superior e Tesis de Maestría Aarón Alejandro Aguilar Espinosa

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inferior, tal como se muestra en la figura 2.10. La caída es positiva, si la parte superior del eje de dirección se inclina hacia atrás del vehículo

Fig. 2.10 Ángulo de avance positivo de la llanta. [2.4]

Se pueden comprender los efectos del avance si se nota dónde el eje de dirección proyectado corta la superficie del camino con la huella de contacto como se muestra en la figura 2.10. La huella de contacto es la superficie del neumático que descansa sobre el camino. El peso del vehículo está en el centro. La prolongación del eje de dirección está en la parte delantera de la huella de contacto cuando el caster es positivo. Se puede notar que el eje de dirección jala a la llanta hacia la parte trasera del vehículo. El arrastre de la llanta está sobre la línea vertical en el centro de la huella de contacto. El centro de la huella de contacto tratará siempre de seguir el punto donde el eje de dirección se junta con la huella de contacto.

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Caída positiva

Centro de la huella de contacto

Arrastre de la llanta

El eje de dirección jala la llanta.

Radio de pivotaje positivo

Sentido hacia delante Punto donde el eje de dirección es proyectado en el camino.

Caída negativa El eje de dirección empuja la llanta.

Sentido hacia delante Centro de la huella de contacto

Arrastre de la llanta Radio de pivotaje positivo

Fig. 2.11 Efecto direccional del caster en la dirección del vehículo.

La figura 2.11 muestra que el camber positivo proporciona estabilidad direccional. En este caso las fuerzas en la huella de contacto de la llanta durante un giro tratarán de regresar las ruedas a la posición de línea recta hacia delante cuando el caster es positivo. Con caster negativo, la mayoría del parche de contacto esta por delante del punto donde el eje de dirección se une con la línea central del parche de contacto. Las fuerzas normales de la huella de contacto desarrolladas con caída negativa ayudarán a girar las ruedas en la dirección en que están siendo conducidas. Esto reduce el esfuerzo de dirección requerido por el conductor. La altura de la parte posterior puede afectar el ángulo de avance, ya que lo disminuye, y esto a su vez reduce la estabilidad direccional, resultando en un pobre control del vehículo.

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2.4.4 Angulo de Caída y Huella de Contacto. Una llanta dará la máxima tracción a cualquier carga vertical dada cuando es perpendicular al piso. Eso es llamado ángulo de camber cero (figura 2.12). Cuando la llanta es perpendicular al piso, el parche de contacto es mas grande que cuando esta en cualquier otra posición. El parche de contacto es el área de la llanta en contacto directo con la superficie de rodadura. Si una llanta es inclinada hacia fuera en su parte superior, tiene un camber positivo. esta condición reduce el parche de contacto de la llanta y la llanta no dará tanta tracción como cuando esta perpendicular. El camber negativo es cuando la parte superior de la llanta es inclinada hacia adentro, es seguido marcado para compensar el movimiento o flexión de las partes de la suspensión. Caída cero

Caída Positiva

Huella de Contacto

Fig. 2.12 Efecto del camber en el área del parche de contacto.

2.5 Resistencia a la Rodadura. Otra circunstancia que afecta al comportamiento de la dirección está relacionada con la resistencia a la rodadura de las ruedas. Tomemos como referencia a la figura 2.13 correspondiente a la rueda delantera de un vehículo con eje trasero motriz. El eje motriz transmitirá su empuje al bastidor y este, a través del eje delantero a las ruedas delanteras. En este caso el eje tira en la rueda y está, como consecuencia de su resistencia a la rodadura, tiende a quedarse retrasada.

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Fig. 2.13 Esquema de la resistencia a la rodadura de una rueda delantera.

La situación es la misma que cuando una persona camina cogido de la mano de un niño pequeño con pocas ganas de andar. El niño ofrece resistencia y camina en una posición rezagada con respecto a la mayor. El resultado es que se produce un par de giro alrededor del eje de pivote que dependerá de la fuerza Fr equivalente a la resistencia a la rodadura de la rueda y del brazo de palanca “a” y que tenderá a abrir la parte delantera de la rueda hacia fuera. Puede deducirse inmediatamente que este fenómeno tenderá a aumentar aún más el efecto producido por la caída, ya comentado anteriormente. No obstante, cuando se trate de un vehículo con tracción delantera, se encontrará con que la resistencia a la rodadura es muy inferior a la fuerza de tracción, y es la rueda la que “tira” del vehículo, siendo el efecto contrario al explicado para un vehículo con eje trasero motriz. Como conclusión se deduce que cuando las ruedas son solamente directrices, la resistencia a la rodadura tiende a abrirlas por la parte delantera. Cuando además son motrices, la fuerza de tracción tiende a cerrarlas. De este modo resulta que el reglaje final de la dirección deberá ser tal que compense todos estos efectos, más el producido por la caída de las ruedas si la hubiera. Como regla general, podría decirse que con las ruedas directrices Tesis de Maestría Aarón Alejandro Aguilar Espinosa

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

solamente y caída positiva, la convergencia deberá ser positiva (cerrada por la parte delantera). Finalmente, si las ruedas son directrices y motrices y la caída es positiva, la convergencia podría ser positiva o negativa, dependiendo del diseño.

2.6 Características de las Llantas. Las llantas en un carro tienen un gran efecto en el manejo. Si se comprenden cómo trabajan, se podrá comprender porque el carro se manejó en la forma en que lo hace, o más importante, comprender como lo hace. Para simplificar el estudio de como trabajan las llantas, se puede limitar el análisis de sus características de entada y salida, ya que esos son los factores más importantes que afectan el manejo.

2.6.1 Tracción. Considerando una llanta como un sistema, se puede decir que la carga vertical es la entrada y la salida, desde el punto de manejo, es la tracción o que tan bien se adhiere al piso, la tracción entre las llantas y el piso determina que tan rápido un carro puede acelerar, frenar y/o virar en una curva.

2.6.2 Tracción en la Llanta vs. Carga. Es necesario saber como las llantas transmiten la entrada a la salida para comprender como un carro se manejará en la forma en que lo hace. En otras palabras, se necesita saber como cambia en carga vertical (entrada) y afectan la tracción (salida), la relación entre la entrada en la llanta y las fuerzas de salida es diferente para cada llanta, esta relación cambia dramáticamente cuando la carga vertical es cambiada. Esta relación de cambio es la mayor razón porque, el estudio del manejo es confuso. Aunque la relación entre carga vertical y tracción para cualquier llanta dada es continuamente cambiante, la interacción entre las dos seguirá una grafica similar a la que se muestra en la figura 2.14

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Capítulo 2

Tracción (Carga lateral en libras)

Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

Peso (Carga vertical en libras)

Fig. 2.14 Relación entre carga vertical y tracción para cualquier llanta [2.5]

No es necesario tener la curva de desempeño para una llanta especifica, porque se está buscando la características de la llanta, no los valores exactos. La curva de la grafica de desempeño de la llanta es lo que es importante. Diferentes llantas tendrán gráficas de desempeño con diferentes curvas o valores, pero todas ellas tendrán una curva que resulta en un pequeño incremento en la tracción cuando la carga vertical es incrementada. Cuando se presenta un viraje en una curva, el peso aumenta en las llantas exteriores a la curva, y viceversa en las interiores, provocando una perdida de tracción en las llantas interiores. Tabulando los datos de la gráfica de desempeño de la llanta (tabla 2.1) es posible ver como la eficiencia de viraje de la llanta decrece cuando la carga vertical es incrementada. La carga vertical y las lecturas de tracción fueron tomadas de la gráfica (figura 2.14). Eficiencia es la salida (tracción) dividida por la entrada (carga vertical) como se muestra en la tabla 2.1

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

Tabla 2.1 Relación de la carga vertical con la eficiencia en curvas. [2.5]

Carga Vertical vs. Eficiencia en las Curvas.

Carga

Tracción

Tracción entre

Factor

Eficiencia en

Vertical Lbs,

Disponible Carga lateral lb.

carga Lbs/lbs.

adimensional

curvas %

500

700

700/500

1.4

140%

1000

1000

1000/1000

1

100%

1500

1250

1250/1500

0.83

83%

2000

1500

1500/2000

0.75

75%

Examinando el cuadro 2.1, se puede ver que con una eficiencia de 140 %, podría ser posible para un carro virar a 1.40 g´s. Cuando la eficiencia de viraje es únicamente 75%, el mismo carro podría virar a 0.75 g´s. Observando la eficiencia de viraje, se puede ver fácilmente que se obtendrá la mejor eficiencia de viraje como un porcentaje de la carga vertical cuando las cargas verticales son bajas. Una eficiencia de viraje de las llantas se reduce rápidamente cuando le es requerido soportar más y más peso. Esta característica de cualquier llanta es un elemento clave para comprender porque los carros se comportan en la forma en que lo hacen.

2.6.3 Factores de Llanta. Cuando se analizan los factores de manejo de las llantas de un carro tales como la huella de contacto, profundidad de rodadura, orientación, etc., deberán ser consideradas, porque ello cambia con la tracción que las llantas pueden dar para una carga vertical dada. Esos factores incrementan o bajan la curva de tracción y ellos pueden originar que el perfil de la curva cambie. Cuando el mismo tamaño y tipo de llantas es usado en las cuatro posiciones, estos factores afectan la tracción disponible.

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

2.7 Prueba de Maniobrabilidad. Muchas revistas de pruebas de manejo incluyen un índice de capacidad de viraje de los carros, o aceleración lateral. Este es medido sobre una pista de derrape y expresado en g´s. Una pista de derrape es un área plana de pavimento con un circulo pintado usualmente de 200 a 300 pies de diámetro. El carro es conducido alrededor del circulo tan rápido como es posible sin derrapar o girar, el tiempo es medido, y la aceleración lateral es calculada del tiempo y tamaño del círculo. Un modelo atrasado típico de Corvette puede virar a 0.84 g´s, algo muy respetable. Un sedán de carreras, sin embargo, lo hace considerablemente mejor. Una fórmula simplificada para determinar el poder de viraje de un carro en una pista de derrape es: g=

1.225 R T2

[5]

donde: R = Radio de giro en pies T = Tiempo en segundos necesario para completar un giro de 360 grados. Utilizando con situaciones reales muestra que la fórmula trabaja. Por ejemplo, si un carro toma 12 segundos por lapso en un radio de 100 pies de una pista de derrape, el cálculo es el siguiente: g=

1.225 x100 12 x12

g=

122.5 144

g = 0.85 esto significa que el carro es virando a una fuerza igual a 85% de la fuerza de gravedad.

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

2.8 Tipos de Direcciones. Debido a que el esfuerzo aplicado por el conductor debe ser lo más pequeño posible para evitar cansancio excesivo, se buscó desde los inicios de los automóviles, hacer que las dirección del vehículo fuera cómoda y que su respuesta diera un buen control al conductor. Primero que nada se considera el dispositivo de mando, el cual comprende el volante, la columna de dirección, la caja, las bielas, las barras y palancas de dirección Partiendo de esto existen varios tipos de dirección, los principales son: mecanismo de barras, tornillo y sector dentado, tornillo sin fin y rueda dentada, tornillo y tuerca, tornillo y tuerca por cremallera, tornillo y rodillo y piñón cremallera.

2.8.1 Dirección mediante Tornillo y Sector Dentado, Tornillo Sin fin y Rueda Dentada. El tornillo sin fin engrana con un sector dentado (fig. 2.15 a), al cual está fijada la biela colgante. Este mecanismo debe permitir la compensación de los juegos: juego longitudinal del tornillo sin fin, juego del eje del sector, juego entre sector y tornillo

a)

b)

Fig. 2.15 cajas de dirección de a)tornillo y sector dentado y b) tornillo sin fin y rueda dentada. [2.1]

En la figura 2.15 b, el sector está reemplazado por una rueda dentada. En este caso, la compensación del juego entre el tornillo y la rueda dentada se obtiene desplazando esta rueda sobre su eje.

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

2.8.2 Dirección mediante Tornillo y Tuerca. Como se puede apreciar en la figura 2.16, en este tipo de dirección, el sector está reemplazado por una tuerca solidaria del tornillo sin fin. La tuerca está ligada al eje portador de la biela colgante mediante un rodillo o una horquilla.

Fig. 2.16 Sistema de dirección por tornillo y tuerca [2.1]

2.8.3 Dirección mediante Tornillo y Tuerca por Cremallera. Este sistema es derivado de los dos precedentes; el tornillo sin fin, por su rotación, desplaza según el eje de la columna una tuerca que engrana con un sector o una rueda dentada. La tuerca está guiada de tal forma que le está impedido todo movimiento de rotación.

Fig. 2.17 Sistema de dirección por tornillo y tuerca por cremallera [2.1]

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

2.8.5 Dirección mediante Tornillo y Rodillo. El sector o la rueda dentada está reemplazado por un dedo que sigue el engrane del tornillo sin fin. Muchas veces el tornillo sin fin es de perfil redondeado, lo cual le permite seguir y empujar más íntimamente el perfil del dedo. Ver figura 2.18.

Fig. 2.18 Sistema de dirección por tornillo y rodillo [2.1]

2.8.6 Dirección mediante Piñón y Cremallera. En este tipo de dirección mostrado en la figura 2.19, muy empleado en la actualidad, se realiza el ataque directo de la barra de acoplamiento. No existe pues ni biela colgante, ni barra, ni tampoco palanca de dirección. La caja contiene un engranaje cónico que imprime un movimiento de rotación al eje.

Fig. 2.19 Sistema de dirección de piñón y cremallera. [2.4]

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2.9 Desmultiplicación de la Dirección. La desmultiplicación de una dirección es la relación entre un desplazamiento angular del volante y el ángulo de orientación que le corresponda. Así, para una des multiplicación de 20/1, un desplazamiento angular del volante de 20° corresponde a un ángulo de orientación de 1°, o una vuelta completa del volante corresponde a un ángulo de orientación de 18°. La desmultiplicación depende de los engranajes de la caja, de la longitud de la biela colgante, de la palanca de dirección y de las palancas de acoplamiento. El esfuerzo a desarrollar por el conductor depende, además, del diámetro del volante. La desmultiplicación debe ser tal que el esfuerzo exigido al conductor no exceda al esfuerzo correspondiente a una conducción con fatiga. A partir de este punto de vista, la desmultiplicación debe ser tanto mayor cuanto más grande sea el peso soportado por las ruedas directrices. Por otra parte, cuanto mayor sea la velocidad, es menor el tiempo de que dispone el conductor para efectuar la maniobra y, por tanto, desde este punto de vista, el mando de la dirección debe ser lo más directo posible, lo cual implica una desmultiplicación poco importante. Estas dos condiciones pueden, para ciertos vehículos, ser difícilmente satisfechas: Para un coche ligero, cuya velocidad es alta, puede obtenerse un mando suficientemente directo sin que de ello resulte un esfuerzo exagerado para el conductor. Para un vehículo de peso medio, cuya velocidad es también alta, se requiere igualmente un mando suficientemente directo, pero es posible que el esfuerzo a exigir al conductor llegue a ser demasiado importante. En este caso, es necesario «asistir» la dirección mediante una servo dirección. Para un vehículo pesado, cuya velocidad es menos alta que la de los dos tipos mencionados, puede admitirse una dirección menos directa, o sea, una desmultiplicación mayor. Pero como a partir de un cierto estado de carga, el esfuerzo a desarrollar por el conductor puede llegar a ser excesivo, es entonces necesario prever una servo dirección. Cualquiera que sea el dispositivo utilizado para facilitar la maniobra de la dirección, es necesario que subsista el mando mecánico directo a fin de que le sea permitido al conductor, en caso de fallo de la «asistencia», poder dirigir su vehículo, aun a costa de un mayor esfuerzo. Además, el esfuerzo transmitido a las ruedas tiene que ser siempre proporcional al que el conductor ejerce sobre el volante. Las cualidades de una servo dirección son similares a las exigidas para los servofrenos.

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2. 10 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones. 2.10.1 Fuerzas - g. El desempeño de llantas y manejo es descrito en términos de fuerza g. Un g´ es simplemente la fuerza igual a la gravedad aquí en la Tierra. Si un objeto se dice pesar 100 libras, la fuerza de gravedad sobre el es de 100 libras. Si este objeto está sujeto a una segunda fuerza de 80 libras, diríamos que tiene una fuerza de 0.8 g´ actuando sobre él. Este sistema de describir fuerzas afectando objetos comunes –como automóviles- es más conveniente que usar libras de fuerza, ya que elimina la necesidad de reconocer el peso del objeto. Por ejemplo, una fuerza de viraje de 3000 libras actuando sobre un carro de 3000 libras podrá ser un g´ de carga . Las mismas 3000 libras de fuerza sobre un carro de 4000 libras podría ser un g´ de carga. Describiendo las fuerzas de viraje en g´s, varios carros pueden ser comparados igualmente, a pesar de sus pesos individuales.

2.10.2 Distribución del Peso. La distribución del peso en un automóvil es determinada por cuánto peso está en cada llanta. Estos pesos cambian debido a la carga transferida. Los cambios en la carga son el resultado de fuerzas actuando en el carro. Es importante comprender como la distribución de peso estático y dinámico de un carro puede afectar las características de manejo. Pero el concepto importante a comprender es que la tracción disponible de una llanta depende en la carga vertical. El aspecto confuso es que el porcentaje de tracción mejora cuando la carga lo hace también. Guías importantes: 1. La mejor condición de viraje esta disponible cuando la distribución de peso de enfrente hasta atrás es igual, asumiendo el tamaño de la llanta igual en el frente como atrás. 2. El peso del lado izquierdo predeterminado incrementa el poder de viraje para pistas de carros ovales. 3. En general, la mejor condición de viraje resultará cuando todas las cuatro llantas son igualmente cargadas durante viraje. 4. Los chasis arreglados con pesos del lado izquierdo predeterminados y acuñados trabajarán únicamente en carros que giran a la izquierda, como en las pistas circulares para carreras.

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2.11 Sistemas de Suspensión. Debido a las imperfecciones del camino, las ruedas de un vehículo tienen que realizar además de su movimiento de giro, movimientos hacia arriba y hacia abajo. Al aumentar la velocidad de la marcha, estos movimientos se suceden en lapsos muy cortos y las aceleraciones perpendiculares al piso pueden ser de un valor que sea múltiplo de la aceleración de la gravedad. Con esto se producen sobre el vehículo esfuerzos grandes a modo de golpes que son tanto más fuertes cuanto mayor es la masa que se mueve. Estos choques y golpes resultan desagradables a los ocupantes además de ser perjudiciales a la salud. Las piezas del vehículo resultan con ello solicitadas en exceso. Por lo tanto, la seguridad en la marcha resulta comprometida con el golpeteo de la carretera. En el caso de grandes irregularidades en el terreno el vehículo puede saltar del suelo. Si esto sucede, las llantas se despegarán del piso, con lo cual se pierde el control del vehículo. Por esta razón, los vehículos son provistos de elementos de elasticidad que evitan estos fenómenos. Al conjunto de estos se le denomina sistema de suspensión, el cuál se diseña para la parte trasera y delantera del vehículo, cada parte tiene consideraciones de diseño dependiendo del tipo de vehículo. Por ejemplo, el sistema de la suspensión trasera soporta el peso de la parte posterior del vehículo, en su caso el peso del motor, si este se encuentra en la parte de atrás, incluyendo el peso de las partes componentes del mismo.

2.12 Configuración de la Suspensión. Es importante reconocer las diferentes cargas que intervienen en un sistema de suspensión. Las mas importantes a considerar son las siguientes:

Peso Suspendido. Es todo el peso del vehículo que esta soportado por los resortes. (cuerpo chasis, motor, transmisión, etc.)

Peso no Suspendido. Es el peso de las partes entre el resorte y la superficie de rodadura; llantas, rims, frenos, brazos de dirección y ensamble de ejes trasero y/o delantero. De manera general, el sistema de suspensión tiene un conjunto resorte –amortiguador que soporta una masa y todo el conjunto hace contacto con el piso por medio de la rueda, figura 2.20. Los resortes permiten al vehículo rodar con perturbaciones muy bajas y mantienen las ruedas adheridas al piso. Si el peso no suspendido es reducido, se tendrán impactos de

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menor intensidad contra el piso. Por lo tanto, se mejora la tracción y las condiciones de rodaje. Actualmente, existen cuatro tipos comerciales de resortes para suspensiones, estos son: helicoidales, de hoja o muelle, barra de torsión y de cámara de aire.

masa

amortiguador resorte

Rigidez de la llanta

Fig. 2.20 Elementos básicos de la suspensión. [2.6]

Los más empleados son los helicoidales, debido a que proporcionan un rodaje más suave por que no existe fricción interna en comparación con los resortes de muelles. Sus características están determinadas por el diámetro del enrollado, el número de vueltas, el calibre y el material empleado. Los resortes de hojas se construyen de dos diferentes tipos: multi-hoja y mono hoja. Los resortes multi-hoja están constituidos por varias hojas de acero apiladas juntas y sostenidas por clips o sujetadores y son el tipo de resorte considerado en este análisis. Las ventaja que se tiene es que se puede variar muy fácilmente el número de hojas y cambiar su rigidez. Los resortes de hojas se pandean y deslizan para absorber los impactos del camino.

2.13 Sistema de Coordenadas. Para el estudio de las suspensiones se necesita establecer un sistema de coordenadas para referirse a que tipo de movimiento estará sujeto el carro durante su movimiento. Por simplicidad se utilizará el sistema de coordenadas establecido por SAE como se muestra en la figura 2.21.

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Giro P

Cabeceo Derrape

q

r

Fig. 2.21 Vehículo sujeto a diferentes componentes de movimiento [2.6]

Donde: x – sobre el plano longitudinal de simetría y en dirección del movimiento al frente del carro. y – sobre el plano transversal y del lado derecho del vehículo. z – sobre el plano vertical y en dirección al piso. p – velocidad de giro alrededor del eje x q - velocidad de inclinación alrededor del eje y r – velocidad de derrape alrededor del eje z

2.14 Tipos de Suspensiones. Existe una gran variedad de suspensiones, y la variación de cada una de ellas dependerá de la disposición y número de elementos de cada una. Generalmente se dividen en dos tipos: • •

Suspensiones de eje rígido y Suspensiones independientes.

Estas a sus vez se pueden clasificar en delanteras y traseras, la diferencia entre ellas es el arreglo que se requiere para alojar el sistema de dirección en las delanteras y en su caso también la transmisión, por lo que respecta a la suspensión trasera se requerirá el arreglo para la transmisión en el caso de que sea una auto de transmisión trasera. Tesis de Maestría Aarón Alejandro Aguilar Espinosa

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Por su naturaleza las suspensiones delanteras son un tanto mas complicadas que las traseras, y esto se debe a la geometría de las llantas.

2.14.1 Suspensiones Delanteras. La evolución del diseño de suspensiones delanteras de alto desempeño ha ido evolucionando por alrededor de 100 años. Durante ese tiempo, ha habido muchas ideas presentadas como un esfuerzo para encontrar la mejor configuración de desempeño. El criterio para determinar la mejor configuración delantera dependerá principalmente del tipo de automóvil que se trate.

Suspensión Delantera de Eje Rígido. Un eje rígido es aquel donde ambas ruedas están conectadas en los extremos de una viga. Los primeros carros usaron suspensiones delanteras de eje rígido, desde los carruajes de caballos, y debido a que trabajaban bien, no hubo necesidad de considerar otros tipos. Aun hoy, las suspensiones de eje rígido son usados en muchos carros de carreras y la mayor parte de autos de carga y transporte y de doble tracción (4WD). Desde sus inicios las suspensiones delanteras utilizaron resortes de hojas como se muestra en la figura 2.22

Viga del eje

Resorte de muelles

Eje de la llanta (perno rey)

Fig. 2.22 Suspensión delantera de eje rígido. [2.4]

Las ventajas de usar eje rígido son que proporcionan gran rigidez, son de construcción simple, el ángulo de camber entre las ruedas y el camino, siempre se mantiene constante.

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Las desventajas son que su construcción resulta mas pesada, y por estar ambas ruedas conectadas al mismo eje, el peso afecta al peso no amortiguado de cada rueda, por estar conectadas, las fuerzas desarrolladas en una afectan a la otra, requiere una considerable cantidad de espacio. Esta ultima desventaja fue una de las mayores razones del porque las producción de carros comenzó a usar suspensiones frontales independientes.

Suspensión Delantera Independiente. La mayor razón por lo que se desarrollaron las suspensiones independientes fue la de mejorar las características de manejo, una suspensión independiente permite aislar mucho mejor las imperfecciones del camino, así como las fuerzas desarrolladas en cada rueda, además de que mantiene las llantas en mejor contacto con el piso, por lo que el control del carro es mejor.

Suspensión Delantera Independiente tipo Eje Oscilante. Un sistema de suspensión tipo eje de giro tiene un pivote cerca del centro del carro, el cual permite al eje girar, tal como se muestra en la figura 2.23 Centro de giro

Fuerza ascendente

Fuerza de viraje

Fig. 2.23 Suspensión delantera independiente tipo eje de giro. [2.5]

Este es un sistema simple y fuerte que ofrece todas las ventajas de una suspensión independiente, si se usa en suspensiones delanteras o traseras. Todos los primero Volkswagen Beatles tenían incorporado este tipo de suspensión en la parte trasera, y algunas camionetas pickup Ford aún las emplean en suspensiones delanteras.

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Suspensión Delantera Independiente de Barras de Arrastre. Este tipo de suspensión usa dos brazos para soportar el poste de dirección, colocados desde el frente el poste, tal como se muestra en la figura 2.24

Fig. 2.24 Suspensión delantera independiente tipo barras de arrastre. [2.5]

Este tipo de suspensión se desarrolló pensando en reducir los requerimientos de espacio y mejorar las cualidades de manejo. Una de las configuraciones más populares fué la de la suspensión delantera del Volkswagen Beatle. Ofrece la ventaja de arrastre de las llantas sobre los topes, tal que la suspensión no solo se mejora, sino también se mueve hacia atrás. Desde el punto de vista de manejo, este tipo de suspensión fue un éxito. Una de sus desventajas es la de no adaptarse a carros de alto desempeño, ya que durante virajes severos, las cargas de viraje son transmitidas a las barras de arrastre, causando que se flexionen. Las irregularidades del camino causan también flexión, resultando en problemas de vibración, que sacude las llantas y rims, tal que la dirección vibra y las llantas no se adhieren al piso. Otro problema con esta suspensión es que el ángulo de caída de las llantas, cambia en relación al piso cuando el carro gira durante el viraje. Esta pérdida de ángulo de caída reduce severamente la tracción en el viraje de las llantas delanteras, por lo que las velocidades de viraje se ven reducidas. La última desventaja es que las barras necesitan ser robustas para absorber las fuerzas de flexión, lo que incrementa el peso del vehículo

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Suspensión Delantera Independiente tipo MacPherson. La suspensión MacPherson es una combinación de un poste con un brazo inferior como se muestra en la figura 2.25. El virtual punto de reacción debe localizarse en la intersección del eje de el brazo inferior y la línea perpendicular al porte. El centro de giro está localizado sobre la línea central del vehículo, en la intersección con la línea desde el centro de contacto de la llanta al punto virtual de reacción.

Centro de giro

Fig. 2.25 Suspensión delantera independiente tipo MacPherson. [2.6]

El tipo de suspensión MacPherson se volvió popular en la producción de carros en la década del los 70s´ debido a que ofrecía una configuración sencilla y de bajo costo que no ocupaba mucho espacio. Es particularmente adecuada para carros de transmisión delantera, porque permite el alojamiento para que la flecha de transmisión pase a través de la masa delantera. Este tipo de suspensión delantera es el usado en muchos carros compactos, debido a que no es cara y proporciona una buena calidad de manejo, además de que requiere poco espacio para su alojamiento. Una de sus desventajas es que no es adecuada para carros de carreras que necesitan espacio para usar llantas y rims anchos. Otro problema que concierne a los carros de carreras es que hay poca ganancia de ángulo camber con este tipo de suspensión frontal.

Suspensión Delantera Independiente de Brazos Dobles tipo “A” de igual longitud. Se le llama de igual longitud porque el brazo superior es de la misma longitud que el inferior Tesis de Maestría Aarón Alejandro Aguilar Espinosa

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En este tipo de suspensión el poste de dirección es soportado por brazos triangulares, tanto en la parte superior como en la inferior, como en la figura 2.26. Las primeras versiones de suspensión independiente de brazos dobles tipo “A” tuvo brazos de igual longitud montados paralelos al piso. Con este arreglo, la longitud del brazo de giro es infinitamente largo y al altura del centro de giro esta a nivel del piso. Desafortunadamente, para un manejo de alto desempeño, este sistema no proporciona ninguna ganancia de camber, por lo que las llantas frontales pierden camber cuando el cuerpo gira y el poder de viraje se pierde.

Pérdida de caída Ángulo de giro

Fig. 2.26 Suspensión independiente de brazos dobles tipo “A” de igual longitud. [2.5]

La suspensión de brazos dobles tipo “A” ofrece una gran ventaja sobre los otros tipos porque usa brazos rígidos para conectar los postes de dirección al chasis. Estos brazos previenen las deflexiones durante un viraje severo, lo que asegura que la dirección y la alineación de las ruedas permanece constante. Las características de manejo de una suspensión de este tipo son excelentes.

Suspensión Delantera Independiente de Brazos Dobles tipo “A” de diferente longitud. Este sistema es parecido al anterior, con la única diferencia de que el brazo superior es mas corto que el inferior. Esta modificación permite obtener una geometría de la suspensión que causa a las llantas y rims, ganar caída negativo cuando la suspensión se comprime, esto se ilustra en la figura 2.27.

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Pérdida de caída Angulo de giro

Fig. 2.27 Suspensión independiente de brazos dobles tipo “A” de diferente longitud. [2.5]

La razón por la que se tiene mayor ganancia de caída es porque el brazo superior es mas corto, esto causará que la parte superior del poste de dirección jale hacia dentro más rápidamente que brazo más largo. La ventaja de esta ganancia de caída es que el ángulo de caída entre el exterior de la llanta y el piso no cambiará tanto en relación al piso durante el giro del carro. Si la parte exterior de la llanta es mantenida perpendicular al piso, desarrollará su máximo poder de viraje, y el carro irá mas rápido alrededor de las curvas. Con brazos desiguales montados a varios ángulos con respecto al piso, es posible diseñar sólo para cualquier altura de centro de giro y longitud de brazo de giro. Esta flexibilidad en el proceso de diseño, proporciona muchas opciones sobre cómo planear la localización de la suspensión delantera. Además los programas de cómputo disponibles para un rápido análisis, proporcionan una poderosa herramienta para optimizar las dimensiones y ángulos de la toda la geometría de la suspensión. Sobre que tan largo cada brazo tipo “A” debe ser , y que ángulo debería tener con respecto al chasis para una óptima geometría, es algo que se ha estudiado durante 50 años. Nadie está de acuerdo sobre cuales son los valores óptimos y por lo tanto no hay una respuesta correcta o errónea. Lo subrayable es “ que es lo que hace al carro ir mas rápido alrededor de una curva”. Bajo ciertas condiciones, un arreglo podría ser mejor que otro, y por lo tanto cada situación debe ser evaluada. El centro de giro de una suspensión de brazos dobles tipo “A” cuyos brazos se mantienen paralelos e inclinados, tal como se muestra en la figura 2.28, se localizará proyectando una línea desde la parte central de la huella de contacto, hasta intersecar con la línea central del carro, manteniendo un ángulo igual al de los brazos.

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Punto de reacción al infinito

Centro de giro

Fig. 2.28 Centro de giro de una suspensión delantera de brazos dobles tipo “A” [4.6]

2.14.2 Suspensiones Traseras. Al igual que las suspensiones delanteras, aquí se presentan dos tipos principales de suspensiones; las de eje rígido o vivo y las suspensiones independientes.

Suspensiones Traseras de Eje Vivo. Se les llama así a las suspensiones donde ambas ruedas traseras están montadas en un eje rígido como se muestra en la figura 2.29. Se le llama eje vivo, porque el eje entero se mueve como una unidad, y por que se mueve cada vez que cualquiera de las dos ruedas golpea un tope. Estos ejes son usados en carros de transmisión delantera y en carros de transmisión trasera, obviamente, un diferencial es requerido en carros de transmisión trasera.

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Fig. 2.29 Suspensión trasera de eje vivo [2.3]

Las ventajas de un eje vivo son simplicidad y rigidez. Esto se traduce en menores costos y una instalación mas fácil. Otra ventaja de las suspensiones de eje vivo es que han estado presentes por más tiempo, por lo que hay más información disponible sobre como hacerlas trabajar correctamente. La mayor desventaja de un eje vivo es su inestabilidad para permitir a cada rueda trasera seguir el contorno de un camino accidentado mucha de esta inestabilidad proviene del peso no amortiguado del diferencial. Uno de los requerimientos de diseño para este tipo de ejes es el control lateral, que es simplemente como es mantenida la alineación lado a lado con el chasis, cuando la suspensión trasera se mueve a través de su viaje.

Suspensiones Traseras Independientes. Un diseño de una suspensión trasera independiente, es aquel donde cada rueda trasera no está conectada la otra rueda. En un carro de transmisión trasera, esto significa que el diferencial está montado sólidamente al chasis con algún tipo de eje de transmisión colocado a cada rueda. La figura 2.30 muestra la diferencia entre una suspensión trasera independiente y una de eje vivo.

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a)

Suspensión trasera de eje vivo

Suspensión trasera independiente

b)

Fig. 2.30 Suspensión trasera a) independiente y b) de eje vivo. [2.5]

La principal ventaja de una suspensión trasera independiente es que proporciona un manejo mucho mas suave, especialmente sobre terrenos accidentados. La otra ventaja de una suspensión trasera independiente es que ocupa menos espacio en el carro. Por otro lado un inconveniente de una suspensión trasera independiente, es que es más compleja, por lo tanto más costosa. Además, debido a su complejidad, es más difícil diseñar una correctamente. En automóviles de producción, como el Corvette, los diseñadores necesitan simplificar el sistema para ahorrar costos. Los requerimientos para diseñar una suspensión trasera independiente son similares a los de suspensión trasera de eje vivo. Básicamente, las ruedas traseras necesitan ser mantenidas apuntando en la dirección correcta todo el tiempo, y la caída y centro de giro necesitan ser posicionados lo mejor posible. Para hacer esto, se requerirá hacer los componentes rígidos y seguros tal que no se muevan bajo condiciones de carga, y se tendrá que usar una geometría de suspensión que produzca movimientos suaves en la rueda. Todos estos factores están basados en fijar la suspensión trasera a un chasis que es torsionalmente rígido. Sin un chasis rígido, la precisión de la suspensión es eliminada por la flexión del chasis.

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El tipo de geometría de suspensión requerida para un sistema de suspensión trasera independiente no es tan diferente de la que se requiere para una suspensión delantera independiente. La suspensión trasera independiente usada en carros de fórmula, son ejemplos de la forma correcta para diseñar el sistema. Obviamente, esos diseños no son construidos a bajo costo. Algunas de las características de diseño de esos sistemas que, dan un control preciso de la caída de la llanta trasera y convergencia son: No utilizan bujes de hule. Los carros de fórmula utilizan juntas esféricas en lugar de bujes de hule, porque aquellas no permiten deflexiones indeseables. Los bujes de hule son usados en carros de uso común, porque los juntas esféricas tienden a ser mas ruidosas. Miembros rígidos. Muchos carros de fórmula usan dos miembros para triangular efectivamente la localización de las partes superior e inferior de las masas traseras Cargas de la suspensión. Los carros de fórmula usan brazos superiores e inferiores para transmitir las cargas de viraje la chasis. Una junta deslizante es usada en los ejes de transmisión para permitir el cambio de longitud. En aquellos diseños donde las cargas de suspensión van a través del diferencial, el diferencial está sólidamente montado al chasis, tal que no puede moverse a su alrededor durante virajes, frenado o aceleración.

2.15 Sistemas de Rigidez y Amortiguamiento. El sistema de rigidez está integrado básicamente por resortes, de los cuales, los más comunes son los helicoidales y los de hojas, también conocidos como muelles. El amortiguamiento limitará la velocidad de movimiento de la suspensión. Por lo tanto, el propósito en el diseño será calcular el amortiguamiento que se desea y de ahí seleccionar uno de los que se venden comercialmente. Por otra parte se requiere conocer los siguientes conceptos para el diseño y cálculo de los elementos de la suspensión: Carga por resorte.- es la cantidad de peso que se necesita para comprimir el resorte a una distancia dada. Rigidez de resorte .- es la cantidad de peso que se requiere para comprimir el resorte una unidad de longitud. Un ejemplo de esta relación para un resorte dado, lo podemos ver en la tabla 2.2

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Tabla 2.2 Relación de peso y compresión de un típico resorte trasero [2.5]

Cantidad de compresión del resorte (pulg.)

Rigidez de resorte (lbs/pulg.)

Carga por resorte lbs.

1 2 3 4 5 6 7

150 150 150 150 150 150 150

150 300 450 600 750 900 1050

Nótese que la rigidez del resorte no cambia cuando el resorte es comprimido, pero la carga por resorte si lo hace. En la tabla 2.2 el resorte se comprime 1 pulgada por cada 150 libras de carga. Consecuentemente la rigidez del resorte determina cuánto se comprimirá el resorte cuando la carga se incrementa. La carga de resorte determina cuánto peso puede soportar el resorte a una distancia dada.

2.15.1 Cálculo de la Rigidez de un Resorte Helicoidal. Para medir la rigidez de un resorte se puede hacer por dos métodos, uno es experimentalmente y el otro mediante el uso de la siguiente ecuación de rigidez.

rigidez =

Gd 4 8ND 3

2.3

donde: G = Módulo torsional (Pascales) d = Diámetro del alambre (metros) N = Número de espiras del resorte D = Diámetro medio de la espira (metros) 8 = Constante para todos los resortes helicoidales.

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2.15.2 Amortiguamiento de una Suspensión, Tipos de Amortiguamiento. El tipo de amortiguamiento que conviene en un carro es el críticamente amortiguado, porque permite al resorte comprimirse y recuperarse inmediatamente, logrando así un manejo mas placentero y un buen control del vehículo, En la figura 2.31 podemos ver que un amortiguamiento del tipo sobre amortiguado provocará el mismo efecto negativo en el manejo, como el que provocan resortes demasiado rígidos. Esto no permitiría al resorte absorber la energía de un impacto, resultando esto en una transmisibilidad mayor hacia los pasajeros y las llantas no podrán tener un adecuado contacto con el piso, provocando de esta manera un manejo bastante duro y molesto, ya que la mayor parte de la energía provocada la conducir sobre un bache se transmitirá a los pasajeros y el control del vehículo será deficiente. Amortiguamiento insuficiente

Movimiento de a suspensión

Amortiguamiento crítico

Sobreamortiguamiento

Tiempo

Fig. 2.31 Tipos de amortiguamiento presentes en una suspensión. [2.5]

La ausencia de amortiguamiento o uno muy pobre provocará un excesivo rebote de la suspensión, y también permitirá a las ruedas despegarse del piso. Lo que se traduce en un manejo inseguro y con poco control por parte del conductor.

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En resumen lo que se necesita, es un de amortiguamiento critico para proporcionar una suspensión confortable. El sobreamortiguamiento restringirá el libre movimiento de la suspensión y un amortiguamiento insuficiente permitirá a la suspensión oscilar verticalmente de una manera libre y sin control. Una práctica muy usada por las personas que se dedican a las carreras de auto es usar amortiguadores ajustables para calibrar cada rueda a un grado de amortiguamiento. Una recomendación que hacen es calibrar los amortiguadores lo más suave posible, solo para no permitir al carro oscilar demasiado al pasar por un bache o tope.

2.15.3 Montaje de los Amortiguadores. La capacidad de un amortiguador para controlar la suspensión dependerá de cómo esté montado. La figura 2.32 es una consideración hecha por Herb Adams, ingeniero automotriz (Diseñador de Pontiac por 16 años, consultor, constructor y piloto de carros de carreras como la serie Trans-Am). [5] Ángulo de 0°

Efectividad del 100%

Ángulo de 10°

Efectividad del 98%

Ángulo de 30°

Efectividad del 86%

Ángulo de 45°

Efectividad del 70%

Fig. 2.32 Factor de carga vertical para diferentes ángulos de montaje en amortiguadores. [2.5]

La mayor efectividad de los amortiguadores se tiene cuando estos trabajan verticalmente o perpendiculares a la dirección de viaje. Se pueden tener pequeñas variaciones en cuanto a este ángulo, pero una que sobrepase los 30° provocará que no se use toda la capacidad del amortiguador.

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Otra consideración es montarlos lo más cerca posible a la rueda para prevenir cualquier pérdida de movimiento entre el amortiguador y el eje.

2.15.4 Amortiguadores. En muchos sistemas, la energía de vibración se convierte gradualmente en calor o sonido. Debido a esta reducción de la energía, la respuesta que en este caso puede ser el desplazamiento, decrece gradualmente. El mecanismo por el cual la energía de vibración es convertida gradualmente en calor o sonido se conoce como amortiguamiento. Esto es importante para predecir al respuesta de vibración de un sistema. Para efectos de cálculo, no se considera la masa del amortiguador. Existen diferentes tipos de amortiguadores, pero de manera básica se pueden dividir en tres tipos: • • •

Amortiguador viscoso Amortiguador de Coulomb o de fricción seca Amortiguamiento con histéresis

Amortiguador Viscoso. Comúnmente es el más empleado en sistemas mecánicos. En este caso, se tiene un sistema mecánico que vibra en un fluido como aire, gas, agua o aceite. La resistencia que ofrece el fluido al movimiento del cuerpo produce una disipación de energía. Esto depende de muchos factores, por ejemplo el tamaño y forma del cuerpo vibrante, la viscosidad del fluido, la frecuencia de vibración, la velocidad del cuerpo, etc. En el amortiguamiento viscoso, la fuerza de amortiguamiento es proporcional a la velocidad.

Amortiguador de Coulomb o de Fricción Seca. En este caso, la fuerza de amortiguamiento es constante en magnitud y en dirección opuesta al movimiento del cuerpo vibrante. Este amortiguamiento se produce por la fricción entre superficies ahuladas secas o que tienen poca lubricación.

Amortiguamiento con Histéresis. Cuando se deforma un material, la energía es absorbida y disipada por el material. Esto se debe a la fricción entre los planos internos del material, los cuales se deslizan al producirse la deformación. Cuando un material que tiene este tipo de amortiguamiento está sujeto a vibración, su diagrama esfuerzo-deformación muestra un ciclo de histéresis como el que se

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muestra en la figura 2.33 El área del ciclo denota la pérdida de energía por unidad de volumen por ciclo.

Esfuerzo

Carga

Descarga

Deformación

Fig. 2.33 Ciclo de histéresis en materiales elásticos. [2.8]

Tipos de amortiguadores. Los amortiguadores se construyen con dos diseños principales, de tubo doble y de mono-tubo. El diseño convencional figura 2.34 a), está formado por dos cilindros, uno llamado de trabajo o de presión y otro llamado, de reserva en el cual se almacena el exceso de fluido. El sello mantiene el fluido dentro del cilindro y libre de contaminación, generalmente estos sellos se diseñan de neopreno o goma de silicón. La válvula de compresión regula el movimiento del fluido durante el ciclo de compresión. El diseño de mono-tubo está construido con un pistón divisor y un pistón de trabajo, figura 2.34. b). El pistón de divisor separa la carga de gas y el fluido. Note que no tiene válvula de compresión, su construcción es más larga y la carga de gas de nitrógeno tiene alrededor de 360 psi.

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Montaje superior Eje del pistón Sello Buje

Tubo de presión

Tubo de presión

Pistón de trabajo

Pistón Tubo de reserva

Pistón divisor de libre flotación Carga de gas

Válvula de compresión

Montaje inferior

a)

b)

Fig. 2.34. Partes de un amortiguador a) cilindro doble, b) mono-tubo. [2.7]

En el mercado existen diseños de amortiguadores mono-tubo con reguladores de hasta 6 opciones como es el caso del MX6 ajustable. Este tipo de amortiguadores cuentan con una válvula reguladora que ajusta la presión de trabajo con el fin de tener la mejor amortiguación para el terreno en que se rueda.

2.16 Concepto Empleado. Para calcular la suspensión es necesario, además de comprender todos los conceptos antes mencionados, hacer un diagrama que facilite la comprensión de los elementos y fuerzas que actúan en el sistema. Por ejemplo, las fuerzas de entrada, formadas por el peso suspendido, las fuerzas generadas por las perturbaciones del camino y la dinámica de carro durante su manejo, y también las fuerzas y movimientos generados en los elementos elásticos y disipadores de energía. El análisis de las fuerzas que interactúan en el sistema es necesario para determinar el comportamiento de la masa suspendida y las fuerzas a las que estará sometido el piloto. Por ejemplo, es necesario saber la frecuencia de las oscilaciones generadas, así como su amplitud,

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

para determinar si las condiciones a las que estará sometido serán confortables y sobre todo, si no afectan su salud física. En procedimiento que se muestra en el capitulo 3, se emplea para conocer el comportamiento que tiene el sistema, a partir de la las condiciones generales. Una vez analizado el sistema, se pueden analizar diferentes casos. Los resultados, permiten cambiar los valores de las constantes del resorte y del amortiguador, así como la velocidad y el desplazamiento de la masa. Considere que existen datos de entrada y que si uno de estos valores cambia, se debe seguir todo el procedimiento pues los valores de otros parámetros como el amortiguamiento crítico harán cambiar las condiciones del sistema. El sistema de suspensión del vehículo tiene cuatro elementos resorte amortiguador trabajando de la siguiente manera, como se muestra en la figura 2.35.

Modelo Mini Baja

Fuerzas originadas por el camino y el manejo.

Peso del vehículo y piloto, sin la suspensión

Sistema de suspensión

Resortes helicoidales y amortiguador tipo viscoso

Fig. 2.35 Elementos que conforman el sistema.

El vehículo esta soportado por resortes helicoidales o muelles de hojas, cada resorte tiene un valor de la constante kr que se obtiene por medio de la ecuación 2.3. Para disipar la energía absorbida por los resortes tenemos los amortiguadores. El desarrollo del cálculo completo de la suspensión se presenta al final del capítulo 3, en la parte del diseño de detalle de los sistemas de suspensión y dirección.

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Capítulo 2 Aspectos Teóricos sobre Suspensiones y Direcciones

2.17 Sumario. Debido a que existen diferentes tipos y configuraciones de suspensión y dirección, se requiere de una metodología que permita elegir la más adecuada al caso de estudio, asimismo, se requiere del análisis numérico y computacional que permita realizar los cálculos de los ángulos y geometrías generadas. Para el diseño de la suspensión se deben tomar en cuenta varios factores como es la distancia del carro al piso, tipo y tamaño de llantas, tipo y disponibilidad de accesorios y refacciones que se comprarán, geometría y dimensiones del chasis, dirección y transmisión del carro. La geometría y ángulos de dirección están en función del tipo de suspensión delantera con la que se cuente. Una vez tomados en cuenta todos estos factores se podrá empezar con el análisis de los ángulos, formas y cálculos necesarios para el trazo y construcción de ambos sistemas: suspensión y dirección. Un análisis de suspensión involucra una gran variedad de factores, por ser tan amplio su estudio, se deben definir los alcances del mismo. En este capítulo se ha presentado la teoría necesaria sobre el tema. En el siguiente capítulo se reúne la información referente al caso de estudio, la metodología de diseño empleada, el diseño de detalle, el análisis de suspensión, los diferentes elementos que lo integran, los materiales, las consideraciones en el desempeño de carro.

2.18 Referencias. 2.1 M. Charloteauz, Suspensión y dirección, Serie Técnica del Automóvil, Tomo VII, Marcombo Boixareu Editores, Barcelona, España, 1979 2.2 Herbert E. Ellinger, Automechanics, third edition, Prentice hall. Englewood Cliffs, New Jersey 07632, 1983 2.3 José Font Mezquita, Juan F. Dols, Tratado sobre Automóviles, Tomo I, Universidad Politécnica de Valencia. Alfaomega 2001. 2.4 William H. Crouse, Mecánica del Automóvil. Tomo II, Marcombo, Tercera Edición, 1993 2.5 Herb Adams, Chassis Engineering, SAE 400 Commonwealth Drive Warrendale, PA 15096-0001. 2.6 Thomas D. Gillespie, Fundamentals of Vehicle Dynamics, Warrendale, PA 15096-0001.

SAE 400 Commonwealth Drive

2.7 Leyensetter. Tecnología del Automóvil. Verlag Europa-Lehrmittel,Nourney. 1980. 2.8 Singeresu S. Rao, Mechanical Vibrations. Purdue University. Addison-Wesley Publishing Company. Third Edition.1995.

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio. Para realizar un proyecto se requiere de una metodología o un plan que nos conduzca exitosamente hacia el logro de los objetivos o metas deseadas. En este capítulo se presentan las tres etapas de diseño que abarcan la comprensión del problema, el diseño conceptual y el diseño de detalle.

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

“La genialidad consta de un uno por ciento de inspiración y un noventa y nueve por ciento de transpiración” Thomas Alva Edison

3.1 El Diseño Mecánico. Diseñar es un conjunto de actividades que apoyadas en los conocimientos, la experiencia, el ingenio y el intelecto, pretende resolver necesidades humanas, anticipando, a través de la idealización, los medios con los cuales se busca satisfacer esas necesidades. En consecuencia, el diseño tiene implicaciones con el futuro en tanto se trata de una actividad proyectual. El diseño es creativo cuando busca la representación anticipada de algo que no existe todavía y es reiterativo cuando repite o modifica para adecuar lo ya existente. La palabra diseño procede del italiano “disegnare” que a su vez se deriva del latín “designare” que significa marcar, designar. Diseñar es la etiqueta que ponemos a esta acción que da significación a las cosas, mediante la transformación grave o ligera de las mismas. Por el tipo de conocimiento empleado para su realización. El diseño puede ser completamente empírico, como lo hacían los hombres de las culturas antiguas, científico como se hace en la actualidad, o una combinación de ambos, como sucede frecuentemente cuando se combina experiencia y el conocimiento derivado de las ciencias. Según la función de los productos del diseño, se puede considerar por un lado, el diseño artístico, cuyos productos, pretenden una función de estima y por otro lado el diseño técnico, cuyos productos tienen una finalidad de uso. La escultura de un personaje importante o un par de bellos aretes son dos ejemplos de diseño artístico; un engrane para una caja de velocidades y un arado son dos ejemplos de diseño técnico. La mayoría de los productos industriales requieren ser diseñados bajo las dos perspectivas: la funcional y la estética. No basta con que los productos funcionen bien, es deseable que además sean bellos. La armazón de un par de lentes y un automóvil son dos ejemplos de productos diseñados bajo esta perspectiva. [3.1]

Problemas Típicos del Diseño Mecánico. Debido a que la mayor parte de los objetos de hoy en día, son una combinación de componentes mecánicos, eléctricos, electrónicos, y programas de control, ha dado lugar a que cada vez sea más complejo el que una sola persona sea la encargada o pueda hacer un diseño que englobe todos esos aspectos. No obstante la creciente introducción de componentes electrónicos de operación y control en los sistemas mecánicos, prevalece la importancia del diseño desde el punto de vista exclusivamente mecánico. Esto ha originado que para el diseño de una máquina, aparato o cualquier cosa en donde se requiera más de una disciplina para 68

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio. llevarse a cabo, se requiera la intervención de varias personas con conocimientos específicos para la realización de una parte de lo que será un producto final. Además de que también se desarrollan los siguientes tipos de diseño.

Diseño por Selección. Fundamentalmente, esto se refiere a la toma de decisiones que se hace para seleccionar de entre varias opciones que existen y están disponibles. Este proceso requiere cierta práctica y experiencia sobre lo que se vaya a seleccionar, además de un análisis de costos, factibilidad, conveniencia, etc. La selección puede referirse a una pieza o componente como un rodamiento, engranes, un tipo de tornillo, una empaquetadura, hasta conjuntos, como motores, variadores de velocidad, reductores, válvulas hidráulicas, etc.

Diseño por Configuración. Esta forma de diseño es parecida a la mencionada anteriormente, la variante consiste en acomodar una serie de componentes previamente seleccionados o diseñados para formar un conjunto. La función del diseñador, además de elegir la configuración más adecuada, es aprovechar al máximo los espacios disponibles.

Diseño Paramétrico. El diseño paramétrico consiste en encontrar valores de las variables o parámetros que caracterizan al objeto en estudio. Por ejemplo, la capacidad de un tanque cilíndrico en donde se tengan como variables el radio y la longitud, y se desee optimizar material de construcción y/o estar afectado por cuestiones de espacio, futuras modificaciones, posible uso para un producto diferente al que se va a almacenar, etc.

Diseño Original. Cualquier proceso, producto o componente que no haya existido antes es un diseño original. La originalidad puede provenir de varias fuentes: • • • •

Principio funcional: como puede ser carburador mecánico vs. Inyección electrónica. Desarrollo tecnológico: como por ejemplo carrocería de acero vs. Carrocería de fibra de carbono Configuración o arquitectura del producto: por ejemplo transmisión delantera de auto vs. transmisión por cardán y diferencial. Forma y apariencia externa: por ejemplo monitor trasparente de computadora vs. Monitor convencional.

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio. Difícilmente un producto es original en su totalidad. Por lo general cualquier producto nuevo está conformado por otros componentes o por un concepto parecido.

Rediseño. Consiste en la modificación de un diseño ya existente para cumplir con nuevos requerimientos, los cuales pueden ser funcionales, incorporación de nuevos materiales, cambio de volumen de producción, reducción de costos de fabricación, desarrollo de nueva tecnología, etc.

Diseño por Extracción de Tecnología. Este consiste en tomar como referencia una muestra física de un producto para reproducirlo total o parcialmente. Se analiza para comprender perfectamente su funcionamiento, se desarma, se mide cuidadosamente y se analizan sus materiales. Se hace la adaptación de materiales y procesos de fabricación. Se elaboran los dibujos donde todo esto queda expresado con claridad para hacer posible su fabricación. Se efectúan las pruebas funcionales pertinentes para validar el trabajo de diseño y se realizan las correcciones necesarias.

3.2 Metodología de Diseño. Una vez mencionados los conceptos anteriores, se puede tener una idea sobre el diseño como tal, pero para que éste pueda ser llevado a cabo de una manera rápida, con orden y mediante una secuencia, se requiere de un método para hacerlo, que se conoce como metodología de diseño. De manera general, un método es un modo de decir o hacer con orden una cosa, es un modo de obrar con proceder. El método debe estar en función de principios o preceptos lógicos y coherentes y debe poderse aplicar con la mayor generalidad posible. La metodología por su parte es la ciencia del método, es el conjunto de métodos que se siguen durante el desarrollo de un trabajo o de una investigación. Actualmente, el proceso de diseño de un producto requiere la aplicación de varios métodos en sus diferentes etapas, de allí que sea común referirse a la “Metodología del diseño” al conjunto de tales métodos. En el diseño mecánico la metodología debe plantear los pasos a seguir para que, con la aplicación de los conocimientos provenientes de diferentes fuentes, entre ellas la ingeniería mecánica, se pueda llevar a cabo el desarrollo de productos, desde su etapa de comprensión del problema, hasta la generación de toda la información necesaria y minuciosamente detallada que haga factible su fabricación, uso, conservación y retiro.

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

3.2.1 La Metodología del Diseño Mecánico. Existen varias metodologías que se pueden adoptar para realizar un diseño mecánico, estas pueden ser desde las desarrolladas por una persona como parte de su experiencia dentro del campo del diseño, hasta las mas conocidas como puede ser el TRIZ; que es una metodología para desarrollar la invención, o el QFD, que es una herramienta utilizada para desarrollar productos en donde se determinan los requerimientos del cliente y se traducen a requerimientos técnicos mensurables, con objeto de establecer, durante la etapa de comprensión del problema, las características que debe poseer el producto a diseñar. Para el diseño de la suspensión y dirección del presente trabajo se utilizará la metodología del QFD (por sus siglas en ingles Quality Function Deployment), despliegue de funciones de calidad. Se eligió esta metodología por considerarse adecuada para los requerimientos de este trabajo y porque previo a esta tesis, se trabajó en el diseño de un vehículo eléctrico, obteniéndose buenos resultados. El proceso para la Metodología del Diseño se puede estructurar tal como se muestra en la figura 3.1.

Comprensión del problema

Diseño Conceptual

Diseño de detalle

Fig. 3.1 Etapas principales de la Metodología de Diseño.

Para la etapa de la compresión del problema se utilizará el despliegue de las funciones de calidad. Una vez que se determinen exactamente los requerimientos del cliente en términos de ingeniería y se establezcan la metas de diseño, se procederá con la etapa conceptual, en donde también existen técnicas para el desarrollo y evaluación de conceptos. Para la etapa de diseño de detalle se definirán las formas materiales, dimensiones, tolerancias, recubrimientos superficiales, y todo aquello que sea necesario definir para que la suspensión y dirección se 71

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio. pueda fabricar de modo que sus características puedan cumplir con las funciones previstas. El resultado de la etapa del diseño de detalle será propiamente el resultado de todo el proceso.

3.2.2 Despliegue de las Funciones de Calidad. Las funciones de calidad son todas las actividades que contribuyen a formar la calidad del producto. El despliegue de las funciones de calidad son una serie de pasos que nos llevarán a establecer metas de diseño claras. Los seis pasos a seguir se muestran en la figura 3.2.

Primer paso

Identificación del cliente

Segundo Paso

Determinación de los requerimientos del cliente

Tercer paso

Ponderación de los requerimientos del cliente

Cuarto paso

Estudio comparativo con otros productos (Benchmarking)

Quinto paso

Traducción de los requerimientos en términos mensurables de ingeniería

Sexto paso

Establecer metas de Diseño Fig. 3.2 Metodología del QFD

Paso Uno - Identificación del Cliente. Se denomina cliente a todo aquel que sea impactado por el producto o por el proceso. De esta manera tenemos dos tipos de clientes en el presente trabajo •

El cliente externo, que en este caso es SAE y una firma ficticia a la que se le hará una presentación de ventas, tratándole de vender el diseño del carro para que produzca 4000 unidades al año.

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio. •

Cliente interno, que aunque no corresponde como tal, al sentido literal de la palabra, se tiene también a al equipo que diseña otros sistemas del carro; en este caso son dos: el grupo que está diseñando el sistema chasis y el que está diseñando la transmisión.

Estos son los clientes para quien se diseñará la suspensión y dirección y a los que podría afectar cualquier decisión que se tome en el proceso de diseño.

Paso Dos - Determinación de los Requerimientos del Cliente. Debido a que existe un reglamento emitido por SAE, que regula las características que debe reunir el carro, los requerimientos serán aquellos que dicte este documento y que afecten el diseño de la suspensión. El reglamento se puede consultar vía Internet en la dirección www.sae.org , sección competencias y eventos, Mini-baja, reglamento 2002, debido a lo extenso de su contenido no se anexa, y solo se mencionan las restricciones necesarias. Los requerimientos del cliente (SAE) se han clasificado de acuerdo al siguiente criterio:

• •

Requerimientos obligatorios.- Son los específicos de SAE. Requerimientos deseables.- Son los que no influyen en la seguridad del vehículo, pero si influyen tanto en los costos como en el diseño del mismo, agregándole “valor” al diseño. Algunos de ellos son sugerencias de SAE.

Requerimientos Obligatorios. Los siguientes puntos están contenido sen el reglamento SAE Mini-baja 2002 y son los que se tomarán en cuenta como requerimientos obligatorios. SISTEMA DIRECCIÓN – SUSPENSIÓN (El número de cada apartado es el que corresponde al del reglamento). 6.2.1.- Dimensiones máximas del vehículo. El vehículo debe tener las siguientes dimensiones: ♦ Ancho: 152.4 cm (60 in), medida en su parte más ancha incluyendo llantas. ♦ Longitud: 243.84 cm (96 in), medida en su locación más larga, incluyendo llantas. 6.3.- Capacidad en terreno. 73

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio. El vehículo debe ser capaz de operar en una forma segura en terreno sinuoso, incluyendo rocas, arena, fango, lodo, y aguas poco profundas. El vehículo debe tener un claro adecuado con respecto al terreno y tracción. 12.2.-Tiempo de salida del chofer. El tiempo máximo para un piloto en salir del vehículo es 5 segundos. Los equipos deberán estar preparados para demostrar este requerimiento con sus pilotos más altos. Se toma en cuenta este requerimiento para prever que la posición y fijación del volante no entorpezcan la salida del conductor. 12.5.-Escudo de las piernas (protección). Todas las conexiones del sistema de dirección o suspensión expuestos en la cabina deben estar protegidas (guardas), tal que las piernas y pies del conductor no puedan tocarlas o enredarse en ellas. 13.7.- Instalación general. Todas las instalaciones deben prevenir que se suelten accidentalmente por un jalón fuerte, un giro o deslizamiento a lo largo de un lado. 17.- Sistema de dirección y suspensión. 17.1.-Topes de la dirección Todos los vehículos deberán contar con topes en la dirección para limitar la carrera de las varillas en su posición extremo-extremo de las llantas. Estos topes deben estar localizados en el poste de dirección. Los topes deben funcionar durante toda el viaje de la suspensión y puntos intermedios. 17.2.- Protección de las barras de dirección. Las barras de la dirección de todos los vehículos deben estar protegidas de un impacto frontal, un parachoques puede ser requerido, según el juicio del juez, dependiendo del diseño y la instalación. 17.3.- Terminales ajustables de las barras de dirección. Los terminales ajustables en las barras deben ser retenidos con una tuerca de seguridad para prevenir que se aflojen. 18.-Tornillería. 18.1.-Requerimientos de seguridad. 74

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio. Todas las roscas de los tornillos en la dirección, suspensión, frenos y sistemas de seguridad del conductor deben ser cautivos. Específicamente, requieren tuercas de seguridad, tuercas con chavetas ó tornillos con hilos de seguridad (en aplicaciones ciegas). Rondanas de seguridad o selladores de roscas no cumplen este requerimiento. 18.2.- Requerimientos del grado de la tornillería. Todos los tornillos usados en los sistemas diseñados en la sección 18.1 deben cumplir el grado SAE 5, el grado métrico M8.8 ó las especificaciones militares. Ver Figura 6 “marcas en las cabezas de tornillos” cualquier componente de tornillería roscado, incluyendo pernos, deben tener documentación de respaldo. (por ejemplo, stock, trenes de manejo, componentes de suspensión, dirección y frenos, o sistemas de seguridad para el conductor.) 18.3.- Exposición de roscas. Todos los pernos roscados deben tener al menos dos vueltas fuera de la tuerca. 34.1.4.- Las volcaduras son muy comunes, se debe diseñar tomando en cuenta eso. Se debe también optimizar la estabilidad del vehículo y mantener un bajo centro de masa.

Requerimientos Deseables. Los siguientes puntos están contenidos en el reglamento SAE Mini-baja 2002 y son los que se tomarán en cuenta como requerimientos obligatorios. El número de cada apartado es el que corresponde al del reglamento. SISTEMA DIRECCIÓN – SUSPENSIÓN 6.1.- Objetivo del diseño del vehículo. El diseño del vehículo debe ser atractivo al consumidor debido a su apariencia visual, desempeño, rendimiento, fiabilidad, facilidad de mantenimiento y operación. Debe ser manufacturado usando mano de obra semicalificada y maquinas-herramientas estándar. Las operaciones de seguridad deben ser una consideración esencial en el diseño. 34.- Sugerencias 34.1.- Consideraciones en el diseño del vehículo. 34.1.1.- Masa del vehículo. El comportamiento del vehículo es inversamente proporcional a la masa. Masa extra afecta la inercia, debido a que todos los vehículos tienen el mismo motor, un vehículo más ligero tendrá mejor potencia.

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio. 34.1.2.- Simplicidad en el diseño. Un diseño simple tiene la ventaja en el análisis de costo y comportamiento. Suspensiones únicas, sistemas de dirección modificados y comodidad del conductor pueden agregar valor al diseño, pero se refleja en el costo. 34.1.5.- Eje trasero. Evite tener el eje trasero muy ancho si ambas ruedas son impulsadas por un mismo eje. Esta configuración limita el radio de vuelta mínimo y causa una gran fricción durante la vuelta. 34.1.6.- Radio de giro. Un radio pequeño de vuelta menor a 2.13 m (7 pies) es necesario para competir efectivamente en las pruebas de maniobrabilidad y la carrera en sí. 34.1.8.- Vuelta de exhibición. Aún la vuelta de exhibición puede dañar severamente al vehículo. Las llantas son el problema más común. Las llantas con cámara son altamente recomendada.

Paso Tres - Importancia Relativa de los Requerimientos y Expectativas del Cliente. Para este paso sólo se tomaron los puntos más relevantes de los requerimientos deseables, es decir, se resumieron a simples oraciones para simplificar el proceso, ya que una ponderación mayor necesita la participación de todos los requerimientos contenidos en el reglamento, lo cuál, ocuparía demasiado tiempo y el resultado tendería a converger con los requerimientos generales que se están planteando. La forma de ponderación, determina la importancia relativa entre requerimientos. La tabla 3.1 muestra el listado de requerimientos, la tabla 3.3 la ponderación y la tabla 3.1 el resultado de la ponderación. Los requerimientos obligatorios no se someten a ponderación porque requieren obligatoriedad. Tabla 3.1 Listado de requerimientos a ponderar

No. 1 2 3 4 5 6 7 8

A B C D E F G H

Requerimiento Que sea atractivo Que tenga buen rendimiento Que sea fiable Que sea fácil de operar Que sea de fácil mantenimiento Que los procesos de manufactura sean con equipo convencional Que sea ligero Que tenga un diseño simple

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio. 9 10 11 12

I J K L

Que sea cómodo Que tenga un bajo centro de masa Que sea resistente Que tenga un torque adecuado en la salida de las llantas. Tabla 3.2 Ponderación de requerimientos deseables

A B C D E F G H I J K L

A 0 + + + + + + + +

B + 0 + + + + + + + + + +

C 0 -

D + 0 + + + + + +

E + + + 0 + + + + +

F + 0 + + + +

G + 0 + -

H + + + 0 + +

I + + + + + + 0 + +

J + + + + + + 0 + +

K L + + + 0 + 0 Σ Total

Σ(+) 3 0 11 4 3 6 9 6 3 3 10 8 66

% Ponderación 4.545 4 0 0 16.666 10 6.066 5 4.545 4 9.090 6 13.636 8 9.090 6 4.545 4 4.545 4 15.151 9 12.121 7 100

Tabla 3.3 Resultado de la ponderación de requerimientos deseables. por orden de importancia.

Ponderación 10 9 8 7 6 6 5 4 4 4 4 0

Requerimiento C K G L F H D A E I J B

Que sea fiable Que sea resistente Que sea ligero Que tenga un torque adecuado en la salida de las llantas. Que los procesos de manufactura sean con equipo convencional Que tenga un diseño simple Que sea fácil de operar Que sea atractivo Que sea de fácil mantenimiento Que sea cómodo Que tenga un bajo centro de masa Que tenga buen rendimiento

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio. Como se puede observar en la tabla 3.3, el requerimiento que tendrá mayor peso en el diseño de el carro en su conjunto será que sea fiable, el segundo en importancia será que sea resistente, el tercero que sea ligero y así sucesivamente hasta llegar al requerimiento que se considerará de menor importancia relativa que es obtener un buen rendimiento de combustible.

Paso Cuatro - Estudio Comparativo con Sistemas de Carros Mini-Baja. En este paso se hace un estudio comparativo con productos de la competencia para determinar en qué grado satisfacen los requerimientos del cliente. Esta práctica es una herramienta muy importante de mejora continua. De este paso surgen conceptos y parámetros de diseño que se contemplarán en las metas de diseño, ya que se puede visualizar qué errores y aciertos tienen esos productos, procesos o sistemas. Para el caso de estudio, se asistió a carrera Mini-baja West 2002, celebrada en la ciudad de Logan, Utah en el mes de abril del 2002, ahí se pudo estudiar diferentes tipos de suspensiones y direcciones. Se observaron las pruebas estáticas en el área de exhibición y presentación de diseño, en el campus de la Universidad Estatal de Utah, posteriormente se hizo el análisis del desempeño de estos vehículos en las pruebas dinámicas y en la carrera de resistencia. Los resultados se capturaron en foto y video, los cuales se analizaron cuidadosamente para determinar las características de desempeño por los carros. El material obtenido fue de 100 fotografías, reportes de diseño, costos y un video de 4 horas de duración Con los resultados generales y por pruebas de esa carrera se hizo una lista de los primeros diez carros en cada categoría y con el material obtenido se pudo hacer el estudió comparativo de su desempeño general y por sistemas, en este caso, suspensión y dirección. La tabla de resultados, así como el estudio comparativo con los cinco primeros lugares de aquella carrera se encuentran recopilados en la Tesis “Diseño, Análisis y Construcción de un carro SAE Mini Baja” realizada por Gerardo Plata Contreras, [3.3]. El diseño de la suspensión y dirección contenido en este trabajo, será precisamente diseñado para ese chasis, por lo que los resultados de ese estudio son los mismos que para este. Las observaciones que cabe hacer, son que el auto que gano; la Universidad de Michigan-Dearborn con el carro número 36, no fue el mejor en todas las pruebas, su éxito se basó en ganar la prueba de resistencia, la cual tuvo un puntaje de 400 puntos de un total de 1000. La clave para ganar el evento consiste, además de tener un carro bien diseñado y construido, es la experiencia ganada en competencias previas, en la táctica que siga el equipo para realizar sus cambios de piloto, carga de gasolina, velocidad y forma de manejo. Se pudo 78

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio. observar que no todos los carros veloces terminaron la carrera, muchos de ellos sufrieron fallas en sus sistemas o tuvieron percances que les impidieron terminar. Por otra parte se pudo observar que los sistemas de suspensión independiente de brazos dobles tipo “A” fueron los más resistentes y los que mejor se adaptan a la suspensión delantera. Para la suspensión trasera se tiene también el sistema de brazos dobles tipo “A” y el sistema de brazo de giro. Los materiales mas usados y que ofrecen buen desempeño son tubo de 1 pulgada y ¾. Casi la gran mayoría de los carros utilizan sistemas de amortiguador resorte integrados y el tipo de dirección predominante es el de piñón y cremallera, pero los carros que utilizaron rótulas tipo terminales, tipo macho o hembra, tanto en suspensión como en dirección, fueron los que pudieron completar las 4 horas en la carrera de resistencia. Las fotografías de la tabla 3.4, muestran los carros con las características mencionadas anteriormente. Tabla 3.4 Estudio comparativo con sistemas de suspensión y dirección de carros SAE Mini Baja. Suspensiones Delanteras

Descripción. Suspensión delantera independiente de brazos dobles tipo “A” de diferente longitud. Usa rótulas esféricas tipo macho en brazo superior y poste de dirección, en brazo inferior se usa bujes como pivote con el chasis. Esta suspensión es ligera y suave, por la posición del amortiguador en la parte media del brazo inferior. Su inconveniente es que no usa guardapolvos en las rótulas, lo que puede causar desgaste por las condiciones de polvo y lodo.

Descripción. Suspensión delantera independiente de brazos dobles tipo “A” de diferente longitud. Con rótulas esféricas tipo macho en poste de dirección, en brazo inferior y superior se usa bujes como pivote con el chasis. Suspensión ligera y menos suave que la anterior, por la posición del amortiguador en la parte extrema del brazo inferior. Su inconveniente es que no usa guardapolvos en las rótulas. Su construcción es sencilla y estética.

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

Descripción. Suspensión delantera independiente de brazos doble tipo “A” de diferente longitud. Con rótulas esféricas tipo macho en poste de dirección, en brazo inferior y superior se usa bujes como pivote con el chasis. Suspensión no tan ligera por ser más robusto el poste de dirección y por tener incorporado frenos delanteros. Tiene la ventaja de un mayor claro con respecto al piso, por el doblez del brazo inferior. El inconveniente es que la construcción es complicada.

Descripción. Suspensión delantera independiente de brazos dobles tipo “A” de diferente longitud. Es diferente a las anteriores en la posición del amortiguador, que se localiza en el brazo superior. La configuración del poste de dirección, pivotado con perno en los extremos y giro independiente con el eje vertical, le permite tener un mayor ángulo de inclinación y por la tanto mayor altura. El inconveniente es que la inclinación del amortiguador le resta eficiencia. Suspensiones Traseras

Descripción. Suspensión trasera independiente de brazos dobles no paralelos de diferente longitud. El sistema de fijación al chasis es fácil, pero tiene el inconveniente de tener solo dos soportes en los extremos del punto de pivote, lo que puede ocasionar falla en caso de choque. El sistema de brazos dobles le permite que la variación en el ángulo de caída sea mínima, cuando la suspensión se desplaza. Su construcción es sencilla y estética

Descripción. Suspensión trasera independiente tipo barra de arrastre. El sistema de fijación al chasis solo utiliza dos puntos; uno en la barra de arrastre y otro en el amortiguador. El eje de transmisión le sirve a la vez de elemento de rigidez, , sin embargo, por ser tan ligera, le permite tener una menor velocidad a la masa suspendida, ya que su relación entre masa suspendida y no suspendida es menor. Su construcción es sencilla, rápida y estética, el inconveniente es que deja desprotegido el eje de transmisión por la parte inferior

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

Descripción. Suspensión trasera independiente tipo MacPherson con brazo superior. Usa bujes en los puntos de pivote con el chasis. El sistema MacPherson hace que el ángulo de caída varíe, cuando la suspensión se desplaza. Su construcción es sencilla pero tiene el inconveniente de dejar desprotegido el eje de transmisión por la parte inferior

Sistemas de Dirección

Descripción. Carro equipado con sistema de dirección tipo piñón y cremallera, montado por la parte posterior al poste de dirección. Usa rótulas esféricas en la unión de la biela con el brazo de dirección, su construcción es sencilla. Tiene el inconveniente de no usar guardapolvos en los rótulas. La flecha del volante utiliza dos puntos de fijación al chasis.

Descripción. Carro equipado con sistema de dirección tipo piñón y cremallera, montado por la parte posterior al poste de dirección. Usa rótulas tipo terminal en la unión de la biela con el brazo de dirección, la biela tiene incorporado una barra con roscado interior; izquierdo y derecho, para calibrar la convergencia. Su construcción es sencilla. La flecha del volante utiliza solo un punto de fijación al chasis.

Descripción. Carro equipado con sistema de dirección tipo piñón y cremallera, montado por la parte posterior al poste de dirección. Usa rótulas tipo terminal hembra, en la unión de la biela con el brazo de dirección. La flecha del volante utiliza solo un punto de fijación al chasis y tiene incorporado un sistema de bisagra para calibrar la altura e inclinación del volante. En la imagen se aprecia la diferencia entre los ángulos de giro de cada rueda, tal como debe ser.

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

Paso cinco - Traducción de los Requerimientos y Expectativas del Cliente. Traducir los requerimientos del cliente, significa poder convertir un lenguaje que generalmente es subjetivo, en otro mucho más concreto, que fundamentalmente consiste en parámetros que se puedan medir y controlar. En algunos casos los requerimientos del cliente no necesitan traducción ya que estan expresados en términos mensurables. Las tabla 3.5 es el resultado de los requerimientos deseables. Los requerimientos obligatorios no se tradujeron ya que estos son muy específicos. Tabla 3.5 Traducción de los requerimientos del cliente en términos mensurables de ingeniería.

Requerimiento del cliente Que sea resistente

Que sea fiable

Bajo centro de masa

Ligero

Traducción Tiempo de exposición al medio ambiente Diseño por fatiga Diseño por resistencia Distancia entre ejes Ancho del vehículo Altura del centro de gravedad Tamaño de llantas Altura desde el suelo al piso del auto Largo del vehículo Ángulos de dirección Radio de giro Tiempo de exposición al medio ambiente Diseño por fatiga Diseño por resistencia Altura del centro de masa del conductor Altura del centro de masa del motor Altura del centro de masa del chasis Altura de transmisión Altura de tanque de combustible Diámetro de llantas Mínima longitud Mínima altura Ancho mínimo No. De piezas de ensamble Materiales ligeros

Unidad de medida Tiempo Factor de seguridad Factor de seguridad m m m mm. x mm. x mm. m m Grados m Tiempo Factor de seguridad Factor de seguridad m m m m m m m m m Cantidad Kg. 82

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

Requerimiento del cliente Fácil de operar

Atractivo

Cómodo

Mantenimiento fácil y económico

Torque adecuado

Traducción Distancia del asiento a los pedales Distancia entre pedales Grados de giro del volante Distancia del volante al conductor Grados de inclinación del volante Colores Geometría simple Mínima longitud del vehículo Mínima altura Ancho mínimo Distancia de los pedales al conductor Distancia entre pedales Posición del volante Costo accesible de refacciones Uso de refacciones estándar Reparación o intercambio de piezas en menos de 10 minutos Número de etapas de reducción Relación de transmisión Tamaño de llanta Mínima longitud de vehículo Mínima altura del vehículo Ancho mínimo No. de piezas componentes Materiales ligeros

Unidad de medida m m Grados m Grados No. De combinaciones m m m m m Grados de inclinación $ Minutos

mm. x mm. x mm. m m m Cantidad Kg.

3.2.3 Establecimiento de Metas de Diseño. Una vez establecidos los requerimientos del cliente en términos mensurables, se puede expresar las características que debe alcanzar el producto a través del proceso de diseño. Esto es, cada requerimiento mensurable relacionado a una unidad de medida se convierte en una meta de diseño al asociarse a una cifra. Para el diseño del carro en su conjunto se tienen bastantes metas de diseño, ya que se tienen varios y cada uno está compuesto de muchos elementos, la tabla 3.6 contiene únicamente las metas de diseño que involucran a la suspensión y dirección

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

La fijación de las metas deben satisfacer los requerimientos del cliente y ser alcanzables o realizables. Tabla 3.6 Establecimiento de las metas de diseño.

META DE DISEÑO Operar en terreno accidentado Costo del Vehículo

DESCRIPCION Que opere en fango, rocas, arena y aguas poco profundas No mayor a 3000 dls

No.

1 2

Tiempo de salida del conductor

No mayor a 5 segundos

Escudo de las piernas

Dirección o suspensión expuestos en la cabina deben estar protegidas con guardas tal que las piernas o pies del conductor no puedan tocarlas.

4

Topes de la dirección.

Todos los vehículos deberán contar con topes en la dirección para limitar la carrera de las varillas en su posición extremo-extremo de las llantas. Estos topes deben estar localizados en el poste de dirección. Los topes deben funcionar durante toda el viaje de la suspensión y puntos intermedios.

5

Protección de la dirección y de la suspensión contra Usar un parachoques impactos Terminales ajustables de la Detener con una tuerca de seguridad para evitar que se aflojen dirección Tamaño y tipo de llantas

Φ Ext. 558-457 mm., Φ Int. 203-305 mm., Ancho 152-254 mm.

3

6 7 8

Número mínimo de ruedas Cuatro ruedas

9

Dimensiones generales máximas del vehículo

152.4 cms de ancho (con llantas) y 243.84 cms. de longitud (con llantas)

10

Acabados de uniones

Eliminar todas la puntas afiladas que puedan causar un daño al conductor.

11

Protección del vehículo contra impactos

Usar un parachoque

12

Tipo de tornilleria

Todas las roscas de los tornillos deben ser cautivos, es decir, se requieren tuercas de seguridad, tuercas con chavetas o tornillos con hilo de seguridad. Rondanas de seguridad o selladores de roscas no cumplen con este requerimiento. Todos estos tornillos deben ser grado SAE 5, grado métrico M8.8 ó similares. Todos los pernos roscados deben tener al menos dos hilos fuera de la tuerca

13

84

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Diseñar elementos por Usar factor de seguridad mayor o igual a dos fatiga, resistencia e impacto Altura del piso del vehículo Igual o mayor al radio de la llanta (pulgadas). al suelo Ángulos de dirección (camber, caster)

Comprendidos dentro del rango de 20 °

14

15 16

Radio de giro de dirección No mayor a 2.13 Metros

17

Altura del centro de masa del motor, chasis, conductor, tanque, transmisión.

18

Por debajo del eje geométrico horizontal (cm)

Procesos de manufactura accesibles (torno, fresa, Adecuarse a las máquinas existentes en talleres de la escuela. taladro, dobladora de tubo) Usar materiales ligeros

Peso máximo del vehículo 150 kg.

19

20

Usar el mínimo número de Máximo número de piezas 150 piezas

21

Combinación de colores

Amarillo,rojo, blanco, verde.

22

Geometria simple

Triángulo, rectángulos, formas trapezoidales

Componentes electricos, mecánicos, hidraulicos

Usar componentes innovadores

Posición del volante

Que varié el grado de inclinación del volante

Costo accesible de refacciones

Menor al 30 % del costo total del vehículo

Uso de refacciones estándar Que existan en el país

23 24 25

26 27

Facilidad de ensamblaje

Que la reparación o intercambio de piezas sea en un tiempo máximo de 10 minutos

Resistencia a la oxidación

Que resista un año en condiciones de humedad

Distancia entre ejes

Menor a 243 cm

29 30

Que suba pendientes

De hasta 45º

31

28

85

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Hasta aquí se han completado las seis etapas del despliegue de funciones de calidad, la forma de agruparlas se realiza a través de una tabla en donde se puede visualizar los requerimientos del cliente y su relación que tienen con cada una de las funciones de calidad. Este gráfico es llamado la casa de calidad y se muestra en la tabla 3.7. La construcción de la tabla se realiza colocando los requerimientos del cliente en la parte izquierda, formando la columna de requerimientos deseables y obligatorios. En la fila superior se colocan los requerimientos técnicos que resultaron de la traducción a términos mensurables. La parte central está formada por una tabla en donde se compara cada requerimiento deseable con cada uno de los requerimientos técnicos para determinar la relación que existe entre ellos. Puede no haber relación, en tal caso el espacio se deja en blanco. También puede haber una fuerte o pequeña relación. Normalmente se utiliza un número o un símbolo para expresar el grado de relación que hay entre los requerimientos. De la relación que exista entre cada uno, se tomarán las decisiones necesarias al momento de hacer el diseño. Esto asegura que el producto resultante satisfaga al máximo los requerimientos del cliente, ya que está con base en un estudio de ponderación entre los mismos, en la comparación entre productos similares, y en el cuidado de ver la relación entre requerimientos para que la decisión de satisfacer uno, no afecte de manera grave a otro. En la parte inferior se anotan las metas de diseño, expresadas mediante los valores y unidades de medición de cada una de las características técnicas que se pretende obtener mediante el proceso de diseño. En la parte superior de la tabla se construye un arreglo triangular, de tal manera que se generen espacio de intersección en donde se pueda comparar los requerimientos técnicos. En esta comparación se determina si el poner mayor atención en satisfacer un requerimiento, no afecta a otro requerimiento. Si uno de ellos afecta a otro de manera positiva se coloca un círculo en el espacio y si lo afecta de manera negativa se coloca una “x”.

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

Tabla 3.7 Despliegue de funciones de calidad

X

Competidores: X

1,- University of Michigan-Dearborn No.36 2,- University of Wisconsin Madison No.1 3,- Brigham Young University No.60

13

10 10 Reporte de diseño 10 Presentación de ventas 10 Prueba de aceleración 10 Prueba de pendiente 10 Prueba de maniobrabilidad 10 Prueba de duración 10 Reporte de costos 10 Que sea fiable 10 Que sea resistente 9 Que sea ligero 8 Que tenga un torque adecuado en la 7 salida de las llantas.

14

Que los procesos de manufactura sean con equipo convencional

6

15 16 17 18 19 20 21

Que tenga un diseño simple Que sea fácil de operar Que sea atractivo Que sea de fácil mantenimiento Que sea cómodo Que tenga un bajo centro de masa Que tenga buen rendimiento

6 5 4 4 4 4 0

⊗ ⊗

♦

3

Bueno

Regular

Malo 2

4

♦⊗

♥

♣♠ ♣♥♠

♥⊗ ♦ ♦ ♥

Univ. 2 San Joaquin Delta Coleje No.46 Univ. 3 Rochester Inst. of Tec. No.4 Univ. 4Brigham Young University No.2 Univ 5. Michigan Tec. University No.5

♦ ♣♥♠⊗

Univ. 7 University of Wisconsin Madison No.1, R-39 San Joaquin Delta Coleje No.46

Mejores marcas por prueba en la competencia Univ. 1

94,96

2

100

39

100

21

Univ. 4

100

5

Univ. 5

100

8

Univ. 6 Univ. 7

400

2

100

2

♥♦♣⊗ ♠

♥ ♥♣ ♣ ♠♥ ♦♣⊗ ⊗ ♠♦ ♣♥ ♦♣⊗ ♠ ♥ ♠♥ ♦♣⊗ ♦⊗ ♠

♦♣⊗ ♠♥

Relación Fuerte

Dirección favorable de mejoramiento Entre menos; mejor

Moderada

Entre más: mejor

Débil

Alcanzar el óptimo Alcanzar el óptimo menor

87

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Lugar Gral.

Univ. 3

♦♣⊗ ♠

Símbolo

Puntaje

Univ. 2

31

cm

405

553 Grados

29

Años

163

30

28

min

270

234

27

26

222

530

255

%

25

24

23

225

450

22

21

Kg

No.

263

96

20

19

304

18

cm

362

17

m

300

16

405 Grados

15

288

387

261

565

in

14

13

12

11

cm

322

234

Kg

388

10

8

No.

120

9

7

in

180

359

299

582

6

5

4

3

2

dlls

471

5

♣♠

⊗ ♣♥ ♥♠ ♣♦⊗ ♦ ♠⊗ ♦♥ ⊗♥♠♦ ♣ ♥ ♠ ⊗♦♣ ♦♣ ♠ ♥ ⊗ ♠ ♥♦♣ ⊗ ♣♠ ♦♠

14 15 16 17 18 19 20 21

Unidades de medida Peso de la columna

1

13

330

METAS DE DISEÑO

Muy Malo

Que suba pendientes

Distancia entre ejes

Resistencia a la oxidacion

Facilidad de ensamblaje

Uso de refacciones estandar

Costo accesible de refacciones

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Restricciones de diseño

Univ. 1University of Wisconsi No. 1

Univ. 6 University of Wisconsin Madison No.1, R-5 Brigham Young University No.2, R-1 University of Michigan-Dearborn No.36

BENCHMARKING

Posición del volante

Componentes electricos, mecánicos, hidraulicos

Geometria simple

Combinación de colores

Usar el mínimo número de piezas

5,- Brigham Young University No.2

Usar materiales ligeros

Procesos de manufactura accesibles (torno, fresa, taladro, dobladora de tubo)

Altura del centro de masa del motor, chasis, conductor, tanque, transmision.

Radio de giro de dirección

Angulos de dirección (camber, caster)

Altura del piso del vehículo al suelo

Diseñar elementos por fatiga, resistenca e impacto

Tipo de tornilleria

Protección del vehículo contra impactos

Acabados de uniones

Dimensiones generales máximas del vehículo

Peso máximo del conductor

Número minimo de ruedas

Tamaño y tipo de llantas

Terminales ajustables de la dirección

Protección de la dirección y de la suspensión contra impactos

Topes de la dirección.

Escudo de las piernas

Costo del Vehículo

4,- New Mexico Inst. of Mining & Tec. No.27

Prueba de de seguridad

1

Requerimientos Deseables

Requerimientos. Obligatorios

DEL CLIENTE

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Operarar en terreno accidentado

REQUERIMIENTOS

GRADO DE IMPORTANCIA

REQUERIMIENTOS TECNICOS

♣ ♦ ♥ ♠ ⊗

Muy Bueno

X

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3.3 Diseño Conceptual. Un concepto de diseño es una idea mediante la cual se pretende resolver un problema. Una de las primeras condiciones que debe reunir un concepto es su factibilidad técnica. En problemas de ingeniería, la generación de conceptos debe desarrollarse paralelamente con la detección de los principios físicos en los que se basaría su aplicación. En esta etapa se desarrollarán las ideas fundamentales del objeto, es decir, en esta fase es donde se decide sobre que principios físicos se basará la solución del problema. La disposición constructiva o arquitectura del objeto y la idea general de la apariencia que tendrá el producto terminado. Para la generación de ideas el diseñador cuenta con diversas herramientas tales como: • • • • • •

Lluvia de ideas Sinéctica Métodos racionales Lista de control Matrices morfológicas Triz

Dependiendo de las necesidades y del tipo de problema o producto que se quiera obtener, será el tipo de herramientas que se utilicen. En todo caso será el diseñador quien a su juicio, seleccione la o las herramientas adecuadas para la generación de conceptos. En este caso se utilizará la lluvia de ideas para la generación de conceptos. Posteriormente se hará la evaluación de los conceptos generados mediante la evaluación basada en la factibilidad del concepto, en la disponibilidad tecnológica y en ver si cumple con los requerimientos del cliente.

3.3.1 Generación de conceptos. La generación de conceptos estará con base en los requerimientos del cliente y las metas de diseño generadas en el despliegue de las funciones de calidad. Las funciones que se tomarán en cuenta para la generación de ideas son las siguientes: • • •

Cómo controlar la dirección Cómo transmitir el movimiento de giros del conductor a las llantas delanteras – tipos de dirección Amortiguar impactos por el camino - Sistemas de aislamiento

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•

Tipo de suspensión a utilizarLas ideas generadas mediante la lluvia de ideas para cada función fueron:

CÓMO CONTROLAR LA DIRECCIÓN Volante Manubrio Una palanca delantera o trasera Un manubrio fijo con servo motores de dirección CÓMO TRANSMITIR EL MOVIMIENTO DE GIROS DEL CONDUCTOR A LAS LLANTAS DELANTERA – TIPOS DE DIRECCIÓN Dirección de cremallera Dirección de tornillo sin fin Dirección de engranes Dirección hidráulica Dirección de barras Dirección neumática AMORTIGUAR IMPACTOS POR EL CAMINO – SISTEMAS DE AISLAMIENTO Amortiguador-resorte (de gas o hidráulicos) Muelles y amortiguador Suspensión en asiento de conductor Soportes de goma Sistema de flotación del chasis Llantas radiales con la presión de aire adecuada Amortiguadores ajustables de acuerdo al tipo de terreno Pista de aire o magnética Base con amortiguación en la jaula TIPO DE SUSPENSIÓN A UTILIZAR. Suspensión independiente por resortes Suspensión independiente con cámara de aire Suspensión de eje rígido por resortes Suspensión de eje rígido por muelles Suspensión de aire Suspensión activa

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

3.3.2 Evaluación de Conceptos. Para facilitar esta tarea se realizó una tabla, organizada de la siguiente forma: del lado izquierdo, están los conceptos a evaluar y en el lado derecho están las columnas con las tres primeras técnicas de evaluación. La metodología seguida fue: Se evalúa un concepto de acuerdo a su factibilidad en : No es muy factible Tal vez es factible Es muy factible Este análisis determina si la idea generada es, o no es factible en su realización, en caso de ser, o poder ser factible se pasa a la siguiente clasificación que es: La tecnología está desarrollada La tecnología está disponible La tecnología está al alcance Si la tecnología existente permite que la idea se pueda llevar a cabo, se prosigue entonces a ver si reúne los requerimientos del cliente de la forma: Reúne los requerimientos No reúne los requerimientos. La tabla 3.8 muestra la evaluación de los conceptos generados. Una vez hecho este estudio se presenta una lista de las ideas que pueden realizar. De esta lista se pueden empezar a generar bosquejos de las posibles configuraciones del diseño final.

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

Tabla 3.8 Evaluación de conceptos utilizando las técnicas de Ullman [3.1]

Si cumple con los requerimientos del cliente

Requerimientos del cliente No cumple con los requerimientos del cliente

Tecnología al alcance

Tecnología disponoble

Tecnología desarrollada

Disponibilidad

Es muy factible

Tal vez es factible

Ideas a evaluar (generardas por lluvia de ideas)

No es factible

Factibilidad

COMO CONTROLAR LA DIRECCION Volante

i/

i/ i/

i/ i/

i/ i/

i/ i/

i/

i/ i/

i/ i/

i/ i/

i/ i/

i/

i/ i/ i/ i/

i/ i/ i/ i/

i/ i/ i/ i/

i/ i/ i/ i/

i/

i/

i/

i/

i/

i/

i/

i/

i/

i/

i/

Manubrio

i/

Una palanca delantera o trasera Un manubrio fijo con servo motores de dirección

i/ TIPOS DE DIRECCION Dirección de cremallera

i/

Dirección de tornillo sin fin

i/ i/ i/ i/

Dirección de engranes Dirección hidráulica Dirección de barras Dirección neumática SISTEMAS DE AISLAMIENTO Amortiguador-resorte (de gas o hidráulicos)

i/ i/ i/

Muelles y amortiguador Suspensión en asiento de conductor Soportes de goma

i/ i/

Sistema de flotación del chasis Llantas radiales con la presión de aire adecuada Amortiguadores ajustables de acuerdo al tipo de terreno Pista de aire o magnética Base con amortiguación en la jaula

i/ i/

TIPO DE SUSPENSIÓN A UTILIZAR. Suspensión independiente por resortes Suspensión independiente con cámara de aire Suspensión de eje rígido por resortes Suspensión de eje rígido por muelles Suspensión de aire Suspensión activa

i/ i/ i/ i/ i/

Las ideas surgidas mediante la lluvia de ideas para cada función, y que se pueden tomar en consideración para la creación de bosquejos son.

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

COMO CONTROLAR LA DIRECCION Volante Manubrio COMO TRANSMITIR EL MOVIMIENTO DE GIROS DEL CONDUCTOR A LAS LLANTAS DELANTERA – TIPOS DE DIRECCION Dirección de cremallera Dirección de tornillo sin fin AMORTIGUAR IMPACTOS POR EL CAMINO – SISTEMAS DE AISLAMIENTO Amortiguador-resorte (de gas o hidráulicos) Suspensión en asiento de conductor Soportes de goma Amortiguadores ajustables de acuerdo al tipo de terreno TIPO DE SUSPENSIÓN A UTILIZAR. Suspensión independiente por resortes

3.3.3 Conceptos del Sistema de Dirección. La caja de dirección es el elemento esencial de la dirección, contiene el mecanismo que transmite el giro del volante a las ruedas, los conceptos que se pueden aplicar al sistema de dirección que se desea diseñar son los siguientes: PIÑÓN Y CREMALLERA

Ventajas: sencillez de su mecanismo de desmultiplicación y su simplicidad de montaje al eliminar gran parte de la tirantería direccional, precisión en el desplazamiento angular de las ruedas, proporciona gran suavidad en los giros y tiene gran rapidez de recuperación. Desventajas: para aplicaciones en donde se requiere gran suavidad en la dirección y una desmultiplicación pequeña se necesita un mecanismo de servo asistencia.

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

DIRECCION DE TORNILLO SIN FIN

SINFÍN Y SECTOR DE ENGRANE Ventajas: fácil funcionamiento, no tiene gran complejidad de construcción y proporciona una conducción suave si se utiliza una reducción adecuada. Desventajas: tiene mayor costo que el sistema de piñón y cremallera y requiere de un mayor número de elementos para transmitir el mando.

SINFÍN Y DEDO SEGUIDOR Ventajas: este mecanismo es conveniente en vehículos que ruedan a gran velocidad puesto que el volante vuelve automáticamente. Su construcción no es tan complicada Desventajas: el dedo seguidor requiere un montaje sobre cojinetes de agujas para transformar el rozamiento en rodadura y así reducir el desgaste. SINFÍN Y BOLAS RECIRCULANTES Ventajas: proporciona mayor suavidad en la conducción, por lo que es apropiada para vehículos pesados y autobuses de turismo. Desventajas: mayor costo y complejidad de construcción

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

3.3.4 Conceptos del Sistema de Suspensión Delantera. SUSPENSIÓNES DELANTERAS INDEPENDIENTES

a) Suspensión simple con sistema resorte amortiguador montado directamente en brazo de dirección. b) Suspensión tipo barras de arrastre

a)

b)

c)

c) Suspensión de brazos dobles tipo “A” de diferente longitud, no paralelos y con el amortiguador montado en la parte media del brazo superior. a) Suspensión MacPherson con brazo inferior tipo trapezoidal. b) Suspensión MacPherson con brazo inferior tipo “A”

a)

b)

a) Suspensión de brazos dobles paralelos tipo “A” de diferente longitud con el amortiguador montado en la parte media del brazo inferior y barra frontal en brazo superior para aumentar rigidez. b) Combinación de suspensión MacPherson y barra de arrastre a)

b)

c)

c) Suspensión MacPherson orientada hacia delante con brazo inferior tipo “A” con elemento de rigidez montado por separado

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

3.3.5 Conceptos del Sistema de Suspensión Trasera. SUSPENSIÓN TRASERA TIPO MACPHERSON CON EL INVERTIDO

PUNTAL

AMORTIGUADOR

Ventajas: mayor comodidad para reemplazar el amortiguador en caso de avería, haciéndose innecesario el uso de un gato para comprimir muelles. Mayor espacio disponible. ligero Desventajas: los cambios en el ancho de vía son mayores, especialmente cuando las ruedas caen como consecuencia de un rebote hacia una posición más baja, conservando un ángulo menor con la vertical CON EL MUELLE Y AL AMORTIGUADOR FORMANDO UN CIERTO ÁNGULO.

Ventajas: las mismas que el anterior. Desventajas: tener que ajustar el ángulo del muelle.

CON EL AMORTIGUADOR NO ENCERRADO POR EL MUELLE

Ventajas: las mismas que el primero Desventajas: uso de mas elementos de soporte en suspensión y chasis para colocar el muelle. La camisa del amortiguador se puede contaminar con polvo y causar desgaste, debido al movimiento del pistón.

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SUSPENSIÓN TRASERA CON SISTEMA AMORTIGUADOR RESORTE

a) Suspensión de eje rígido con doble barra de rigidez longitudinal y una transversal b) Suspensión MacPherson con barra de rigidez longitudinal y transversal. c) Suspensión de eje rígido con barras de rigidez longitudinal y semitransversal.

a)

b)

c) a) Suspensión tipo MacPherson con elemento de rigidez montado por separado sobre barra semitransversal, utilizando el eje de transmisión como brazo de giro y una barra extra de rigidez transversal. b) Suspensión MacPherson con brazo inferior trapezoidal y barra de rigidez transversal.

a)

b)

c)

c) Suspensión sencilla tipo barras de arrastre, utilizada principalmente para autos de transmisión delantera. a) Suspensión tipo MacPherson con brazo inferior tipo “A” orientado hacia delante, para producir el efecto de arrastre. b) Suspensión tipo MacPherson con Brazo inferior tipo “H” y eje de transmisión utilizado como brazo de giro.

a)

b)

c)

c) Suspensión MacPherson con brazo inferior tipo “A” y barra de rigidez semitransversal.

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3.4 Concepto de Diseño Adoptado. En la figuras 3.3 a 3.5 se representa la idea general de la suspensión y dirección que será la base para la realización de la fase de diseño: DISEÑO DE DETALLE.

Sistema de Suspensión. Suspensión Delantera. El concepto de diseño adoptado para la suspensión delantera se muestra en la figura 3.3. Se llegó a este bosquejo después de haber considerado la teoría acerca de las suspensiones delanteras en el capítulo 2 y de haber elegido de entre los bosquejos mostrados en el diseño conceptual. La suspensión que se diseñará a detalle será una independiente de brazos dobles paralelos tipo “A” de diferente longitud porque presenta las siguientes características: •

Previenen las deflexiones durante un viraje severo, lo que asegura que la dirección y la alineación de las ruedas permanece constante.

•

Las características de manejo de una suspensión de este tipo son excelentes.

•

La diferencia de que el brazo superior es más corto que el inferior, es que permite obtener una geometría de la suspensión que causa a las llantas y rims, ganar ángulo de caída negativo cuando la suspensión se comprime.

•

La ventaja de la ganancia de caída, es que el valor de este ángulo, entre el exterior de la llanta y el piso, no cambiara demasiado en relación al piso durante el giro del carro. Si la parte exterior de la llanta es mantenida perpendicular al piso, desarrollará su máximo poder de viraje, y el carro irá mas rápido alrededor de las curvas.

•

Su construcción es relativamente sencilla, requiere poco material, proporciona una buena rigidez.

•

Se puede tener un amplio viaje de la llanta, utilizando las rótulas adecuadas.

•

Proporciona una forma estética.

•

Cumple con los requerimientos del cliente en cuanto a:

es ligera y

Puede operar en diferentes tipos de terreno. El costo de fabricación es bajo. Los brazos pueden servir como protección a la dirección si esta se coloca por la parte trasera del poste de dirección. 97

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

Con este tipo de suspensión se puede obtener una buena altura entre el piso de carro y el suelo. Su geometría es simple. Se pueden utilizar refacciones estándar. Su mantenimiento es fácil y económico.

Chasis

Vista frontal Sistema amortiguador resorte Perno rey Poste de dirección

Rótulas Brazos tipo “A” Llantas

Vista en planta

Máx. 152.4 mts.

Fig. 3.3 Concepto de diseño para la suspensión delantera.

Suspensión trasera. El concepto de diseño de la suspensión trasera se muestra en la figura 3.4. En este caso se eligió un sistema tipo MacPherson, utilizando un brazo inferior tipo “H” porque proporciona las siguientes características: 98

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Sistema amortiguador resorte

Chasis

Masa

Vista Frontal Eje de transmisión

Vista en planta Llanta

Eje y plato Transmisión

Brazos tipo “H”

Fig. 3.4 Concepto de diseño para la suspensión trasera.

•

Requiere poco espacio de instalación

•

La forma del brazo tipo “H” le proporciona gran rigidez y se evita tener que colocar barras extra.

•

Proporciona un amplio viaje de la llanta.

•

Permite fácilmente colocar la flecha de transmisión en caso de que el carro requiera ser reparado.

•

Su construcción es sencilla y requiere poco material.

•

El tiempo de ensamble es corto comparado con otro tipo de suspensiones.

•

Es ligera.

•

Una adecuada configuración permite que los ángulos de caída y convergencia se puedan calibrar.

•

Al igual que la suspensión delantera cumple con los requerimientos del cliente. 99

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Sistema de Dirección. El sistema de dirección que se eligió es el de piñón y cremallera, como se puede ver en la figura 3.5. Se decidió este sistema porque reúne las siguientes características. Volante

Cremallera

Piñón Perno rey

Rotulas

Brazos de dirección

Elementos de deslizamiento Barras de dirección

Fig. 3.5 Sistema de dirección de piñón y cremallera.

•

Requiere poco espacio de instalación.

•

Proporciona un excelente control de la dirección.

•

No requiere de un varillaje complicado para transmitir el movimiento.

•

De los tipos de mando de dirección, es la más usual en carros pequeños.

•

Su construcción es sencilla y requiere poco material,

•

Su ensamble, mantenimiento y reparación es más rápido y sencillo que otros.

•

La relación de giro entre volante y llantas es fácilmente controlable.

•

El costo de fabricación es bajo.

•

Proporciona rapidez en los giros y tiene gran capacidad de recuperación después de un viraje.

•

Cumple con los requerimientos del cliente, además de lo anterior, también en: 100

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

Se pueden colocar fácilmente topes de dirección. Se pueden usar terminales para ajustar los ángulos de dirección. Se puede obtener un radio de giro menor a 2.5 metros. Es Ligera Proporciona una forma estética.

3.5 Diseño de Detalle. 3.5.1 Cálculo de la dirección. El primer parámetro que se debe analizar en el cálculo de la dirección, es el radio de giro. De acuerdo a los requerimientos deseables del reglamento de SAE Mini Baja, el carro debe contar con un radio de giro de 2.3 metros. Tomando en cuenta las medidas del chasis indicadas en la figura 3.12, la distancia entre ejes y la distancia entre puntos de pivote de las ruedas delanteras, se hace en CAD un esquema que indica los ángulos de viraje de cada rueda, cuando el carro realiza un viraje a la izquierda con el máximo giro del volante. La figura 3.6 muestra gráficamente los ángulos descritos.

2a=1.09m

α = 41° β = 28° R=3.35

e = 1.5m

R =2.2m

Fig. 3.6 Ángulos descritos por llantas delanteras en un viraje máximo a la izquierda

101

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

Para comprobar estas ángulos, se verifica con la ecuación 2.1 contenida en el capítulo 2. cot β − cot α =

2a e

si α = 41° entonces β será igual a:  2a  β = arctan + cot α   e   1.09  β = arctan + cot 41°   1.50 

β = 28.04° Con el valor de estos ángulos se procede al cálculo de la geometría necesaria para generarlos. Esta geometría involucra el arreglo que se debe hacer en la cremallera y tirantería de dirección. Las medidas necesarias son la longitud de los brazos de dirección R y el ángulo que forma con la línea entre puntos de pivote, tal como se muestra en la figura 3.7

λ

Long. De biela

R (longitud de brazo de dirección)

Long. De cremallera

Fig. 3.7 Longitud del brazo de dirección y su ángulo con respecto a la línea de unión entre pivotes de dirección.

Para hacer una aproximación de la longitud y ángulo de los brazos de dirección, se utiliza el método gráfico descrito en el capítulo 2. La figura 3.8 muestra la forma de aproximación de los valores buscados.

102

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

Supongamos que el rectángulo comprendido por las letras ABCD de la figura 3.8, son las distancias la línea entre puntos de pivote AB, y que la distancia entre ejes es la distancia BD, según el método grafico, el valor medio de la prolongación de la línea AH hasta unir con la letra E, nos dará las valores R y λ respectivamente.

λ1 λ2 λ

λ3

H

E

Fig. 3.8 Obtención gráfica de los valores de R y λ .

Haciendo el análisis de medidas y ángulos, se obtuvo gráficamente que los valores factibles de R y λ se encuentra en rango de 56 y 64 grados . Ahora utilizando el estudio realizado por M. Bricard [3.7], se puede calcular, con más exactitud, la longitud y ángulo de los brazos de dirección mediante la ecuación 2.3 del capítulo 2. Si asignamos valores al ángulo λ podemos obtener diferentes longitudes para el brazo de dirección. La tabla 3.9 muestra los valores de R considerando ángulos de λ comprendidos entre 56 y 60 grados con intervalos de variación de 1° .

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Tabla 3.9 Valor de R en función de λ

Angulo λ (grados) 56 57 58 59 60 61 62 63 64

Valor R (metros) 0.00247 0.03203 0.06464 0.1045 0.142 0.183 0.225 0.269 0.316

Por los resultados obtenidos grafica y analíticamente, el valor R, que conviene utilizar es el de 0.142 metros, a un ángulo λ de 60°. Se escogió este valor porque se considera ser una longitud adecuada a la disposición de espacio. Para determinar la longitud de las bielas que conectan los brazos de dirección a la cremallera, se utilizará ADAMS/View V11. Se asumirá una cremallera de 560 milímetros de longitud. El modelado se hace con geometrías simples, simulando las llantas delanteras por medio de líneas. La función utilizada para simular el movimiento de traslación de la cremallera, es la función de desplazamiento: 48d*sin(360d*time) Las figuras 3.9 a 3.11 muestran el resultado del análisis en donde se obtuvieron los ángulos generados en cada una de las llantas, cuándo se realizan virajes hacia la izquierda y derecha.

Sentido de avance hacia adelante

Fig. 3.9 Dirección en posición de línea recta. (vista superior).

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Sentido de avance hacia adelante

Fig. 3.10 Dirección virando a la derecha (vista superior).

Sentido de avance hacia adelante

Fig. 3.11 Dirección virando a la izquierda (vista superior).

Los valores obtenidos mediante el análisis con ADAMS/View V11 se resumen en la tabla 3.10. Con estas medidas se puede fabricar la dirección. Tabla 3.10 Valores obtenidos en ADAMS/View

Angulo de viraje máximo en rueda derecha Angulo de viraje máximo en rueda izquierda Longitud de biela de dirección Longitud de cremallera Distancia de la línea central de cremallera a la línea entre pivotes Carrera de la cremallera para virar completamente hacia la izquierda o derecha

40.97° 28.194° 278.92 mm 560 mm. 70 mm 48 mm. 105

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Comparando los ángulos resultantes con los ángulos teóricos de viraje se obtuvo un error de: Valor real 40.97 28.194

Valor teórico 41 28.04

Diferencia 0.03 -0.154

Error 0.073% 0.542%

Relación del Volante. El volante tiene una relación con respecto al número de vueltas que se necesitan para virar la dirección de extremo a extremo. Esta relación depende del radio de giro deseado, de lo suave que se desee la dirección, del peso del vehículo y de lo rápido que se requiera la respuesta en maniobrabilidad. Como la dirección se utilizará para un carro de competencias todo terreno, se requiere que tenga una rápida respuesta, es decir que con un leve giro del volante se pueda maniobrar entre obstáculos a una velocidad media. La cremallera requiere un desplazamiento de 48 mm para completar un viraje completo hacia un lado, y del doble para virar completamente de extremo a extremo. Como se requiere que la dirección tenga una rápida respuesta al viraje, se decidió que un cuarto de vuelta era adecuado para un viraje completo hacia uno u otro lado. La relación que debe tener el piñón con la cremallera estará dado por: L =r πD

3.1

donde: D = diámetro de paso del piñón L = Longitud del desplazamiento total de la cremallera r = relación piñón diámetro como se requiere media vuelta del volante para que las ruedas viren completamente de extremo a extremo, entonces la relación r es de 0.5. por lo que el diámetro de paso necesario en el piñón será de: L D= rπ D=

96mm = 61.1154mm 0.5π

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El cálculo para generar el piñón y cremallera, así como los dibujos de detalle se encuentra en el anexo 2.

3.5.2 Trazo de la Suspensión. Para comenzar con el trazo de la suspensión se tomará en cuenta las medidas y geometrías del carro al que van a ser colocadas. La figura 3.12 muestra la forma general del chasis y las medidas necesarias para iniciar el diseño de la suspensión.

Soporte de amortiguador

Soportes para suspensión

a) Vista en isométrico de chasis

Parte media

b) vista lateral

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c) Vista en planta de la parte inferior del chasis

. d) vista en planta de parte media del carro Fig. 3.12 Medidas generales del carro donde se colocará la suspensión y dirección

Tomando en cuenta las medidas de la figura 3.12 se puede establecer la longitud aproximada de la suspensión, tomando en cuenta las dimensiones máximas generales y las medidas de las llantas. La figura 3.12 muestra los limites de las dimensiones máximas del carro. Los medidas máximas que puede tener el carro son: Largo:

243.82 cms. - 96 pulgadas

Ancho

152.20 cms. - 60 pulgadas

La figura 3.13 muestra los límites del ancho máximo del carro. Nótese que se utilizó casi todo el ancho permitido para tener un amplio viaje de la suspensión.

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Vista frontal

Ancho

Máx.

Fig. 3.13 Medida del ancho máximo permitido por el reglamento SAE Mini Baja 2002

Las medidas longitudinales se manejaron como se muestra en la figura 3.14 en donde se puede apreciar que el largo máximo se tiene en el chasis y no en las llantas, por lo tanto el largo puede considerarse como un requerimiento cumplido.

Limites de medidas máximas 96 Pulg. 243.84cms.

Vista en planta

Fig. 3.14 Medida del largo máximo permitido por el reglamento SAE Mini Baja 2002

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Una vez establecidos los límites del sistema de suspensión se pueden hacer el cálculo con las medidas adecuadas de brazos delanteros, brazos traseros, masas traseras, ejes traseros, postes de dirección, masas delanteras y amortiguadores.

3.5.3 Suspensión Delantera. El sistema de brazos dobles paralelos tipo “A” que se propone para la suspensión delantera es el que se muestra en la figura 3.15. Brazo superior

Amortiguador

Rótulas tipo terminales de dirección con extremo roscado Puntos de pivote y de unión al chasis

Poste de dirección

Perno rey

Brazo inferior

Vista frontal de la rueda derecha

Fig. 3.15 Sistema propuesto de suspensión delantera.

Lo primero que se establecerá son los ángulos de caída, avance, inclinación del eje de dirección, inclinación del perno rey, así como la geometría del polígono formado por los puntos de pivote y las rótulas del poste de dirección.

3.5.4 Caída, Avance, Inclinación del Eje de Dirección, Inclinación del Perno Rey, Radio de Pivotaje y Convergencia. No existe una regla o norma que indique exactamente cuales son los ángulos correctos de caída, avance, inclinación del eje de dirección, inclinación del perno rey, radio de pivotaje y convergencia , para un carro común y mucho menos para uno Mini Baja.

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Para el trazo de la suspensión delantera se asignarán los valores de dichos ángulos, basado en las recomendaciones hechas en la literatura. [3.4] y [3.6]. Los ángulos correspondientes a cada elemento de la suspensión y dirección serán los indicados en la tabla 3.11 Tabla 3.11 Ángulos de Dirección. Caída Avance Inclinación del eje dirección Radio de pivotaje Convergencia

de

2° positivo 5° positivo 5° positivo 3.5 cms positivo 0°

El diseño de la suspensión y dirección contempla que los ángulos indicados en la tabla 3.10, se puedan calibrar después de haber realizado pruebas de manejo con el prototipo que resulte. La calibración de los ángulos se realizará variando la longitud de los extremos roscados de las rótulas, tanto de suspensión como de dirección.

3.5.5 Cinemática de la Rueda Delantera. El factor mas importante a considerar en la geometría de la suspensión es que cuando la llanta viaja verticalmente, lo haga perpendicular al piso, es decir, que conserve la posición de reposo durante dicho viaje, para evitar variaciones en los ángulos de la dirección, sobreesfuerzos en sus componentes y dificultad en el conductor para controlar el vehículo. El sistema de brazos dobles forma un mecanismo de cuatro barras, (Fig. 3.16), que al fijar el eslabón A, se produce un mecanismo oscilador, usado en donde se requieren movimientos en línea recta; en este caso, un movimiento vertical. El paso a seguir es proponer una geometría y por medio de análisis computacional; ADAMS/View [3.9], determinar cual es la solución que nos proporciona el menor error. Las medidas iniciales para este mecanismo son las representadas en la figura 3.16. Estas se generaron a partir de la disposición de espacio por parte del chasis, del ancho máximo que puede tener el carro, de la altura al piso, del máximo ángulo permitido por las rótulas y de las medidas del brazo de dirección. Se considera como eslabón fijo al chasis, el eslabón que debe permanecer con la mínima variación en la posición horizontal es el C, el eslabón D que representa al brazo inferior, se requiere que sea lo más largo posible, por lo que para lograr el mínimo desplazamiento del eslabón C se variarán las medidas del eslabón B.

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Fig. 3.16 Representación del sistema de suspensión por un mecanismo de cuatro barras.

Las figuras 3.17 a 3.19 muestran el desplazamiento vertical de la suspensión y su correspondiente desplazamiento vertical.

Fig. 3.17 Posición de la suspensión en reposo.

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Fig. 3.18 Posición en su punto más alto. (12.5 cms. de desplazamiento vertical)

Fig. 3.19 Posición en su punto más bajo. (12.5 cms. de desplazamiento vertical)

En las gráficas anteriores se simula el viaje máximo de la suspensión, con una carrera de 25 centímetros; 12.5 hacia arriba y 12.5 hacia abajo. El desplazamiento horizontal que resulta es de 8.075 centímetros, repartidos en 4.037 centímetros hacia la derecha e izquierda. El viaje máximo de la suspensión puede ser de 40 centímetros, pero al colocar las rótulas y el sistema resorte amortiguador, restringen la amplitud del viaje a 25 cms. El desplazamiento horizontal se efectuará con mayor frecuencia, de la posición de reposo, hacia arriba, por lo que la llanta tendrá un desplazamiento horizontal de 4.037 centímetros, cuando se presente la máxima carrera de la suspensión hacia arriba. Como la suspensión no estará viajando a todo lo largo de su carrera vertical, se tomará un desplazamiento promedio de 10 centímetros, para este caso, se hizo nuevamente el análisis en ADAMS/View V.11, (Fig. 3.20) y se determinó que para ese desplazamiento vertical, se tiene uno horizontal de 3.005 centímetros; 1.5 centímetros hacia la izquierda y derecha respectivamente, por lo que se determino ser un valor aceptable, considerando que con la inclinación que se le da al poste de dirección se obtiene un radio de pivotaje más coto, que si estuviera en posición vertical.

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Fig. 3.20 Posición de la suspensión en su punto más bajo. (5 cms. De desplazamiento vertical.)

3.5.6 Centro de giro de la llanta El centro de giro de la llanta de una suspensión delantera, es el punto donde teóricamente el área de contacto de cada rueda, se mantiene equidistante cuándo viaja verticalmente (ver figura 3.21). El centro de giro para la suspensión delantera se obtuvo gráficamente, trazando una línea paralela a los brazos de la suspensión, desde el centro del área de contacto de la rueda, hasta intersecar con la línea central del auto. El punto de reacción, es donde las prolongaciones de los brazos de la suspensión intersecan, este punto es donde teóricamente se tendría el punto de pivote de ambos brazos. Debido a que en el diseño los brazos están paralelos, el punto de reacción se considera estar en infinito. El centro de giro de una suspensión de brazos no paralelos, se encuentra prolongando una línea desde el centro del área de contacto de la rueda, hasta el punto de reacción de ambos brazos, la intersección de esta recta con la línea central del auto, nos da el centro de giro de la rueda. Las medidas de la localización del centro de giro son: Y = 238.5 mm. R = 644 mm.

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Punto de reacción al infinito

Centro de giro de la rueda

R y x

Fig. 3.21 Localización del centro de giro de la rueda

3.5.7 Cojinetes de los Puntos de Pivote de los Brazos de Suspensión. Los cojinetes usados para la suspensión trasera y delantera serán de Poliamida (Nylamid) y el cálculo de la relación PV (presión-velocidad) se encuentra en el anexo 1. La razón de usar cojinetes de nylon y no de hule con metal, es para evitar deflexiones que modifiquen los ángulos de la dirección. Los dibujos de detalle de masas, ejes y brazos de suspensión se encuentran en el anexo 3.

3.5.8 Suspensión Trasera.

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Una vez obtenida la geometría y formas de la suspensión delantera, se procede al trazo de la suspensión trasera, para que posteriormente se realice el cálculo de rigidez y amortiguamiento. El sistema tipo MacPherson que se propone para la suspensión trasera es la que se muestra en la figura 3.22

Punto de unión al chasis

Brazo auxiliar de rigidez y calibración de caída y convergencia

Amortiguador-resorte Juntas homocinéticas y eje de transmisión Caja de transmisión

Rótulas Eje y plato Punto de pivote con el chasis

masa Rótulas

Punto de pivote con el brazo llanta

Fig. 3.22 Sistema propuesto de suspensión trasera. Para el diseño de la suspensión trasera se añade un brazo auxiliar que une la parte superior de la masa con la parte media del brazo inferior. La ventaja de utilizar este brazo, es que proporciona mayor rigidez a la llanta y al eje de transmisión, por otro lado permite ajustar el ángulo de caída de la llanta y de ser necesario la convergencia, si se utilizan rótulas esféricas tipo macho.

3.5.9 Cinemática de la rueda trasera La cinemática de la rueda trasera es mas sencilla que la delantera, debido a que sólo se utiliza un sólo brazo. El centro de giro para una suspensión tipo MacPherson, que es el caso, se muestra en la figura 3.23.

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D

a)

b)

Fig. 3.23 Centro de giro de la suspensión trasera, a)dibujo en miniatura, b) dibujo ampliado.

El centro de giro de la llanta en la suspensión MacPherson, se encuentra prolongando la línea del brazo inferior, y trazando otra perpendicular a la línea central del amortiguador, la intersección de estas dos rectas da el punto C, el centro de giro de la rueda, se localiza sobre una línea que une el punto medio de la huella de contacto al punto C, hallado anteriormente, la intersección de la recta CD con el eje de simetría del carro da el punto B, el cual, es el centro de giro de la rueda. Las medidas de la localización del centro de giro, según el sistema coordenado de la figura 3.23 son: Y = 240.5 mm. R = 632.09 mm. (distancia BD) Estas medidas son las que resultaron después de haber tomado en consideración las dimensiones del chasis y de la transmisión. [3.3] y [3.8] Los desplazamientos que tiene la rueda trasera durante su viaje, se hallan fácilmente con la ayuda del paquete ADAMS/View. Estas lecturas se muestran en las figuras 3.24 a 3.26.

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Fig. 3.24 Posición de la suspensión trasera en reposo.

Fig. 3.25 Posición de la suspensión trasera en su posición hacia abajo.

Fig. 3.26 Suspensión trasera en su posición hacia arriba.

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En la figura 3.26 se puede observar que cuando la llanta tiene un viaje vertical de 78 milímetros, el ángulo de caída tiene un valor de 12.4° y los mismo sucede para cuando la llanta se desplaza hacia abajo. La desventaja de usar el tipo de MacPherson en la suspensión trasera, es precisamente esta variación del ángulo de caída; sin embargo, el uso de rótulas esféricas en los brazos auxiliares, permitirá calibrarlo, cuando se tenga construido el prototipo. Muchos automóviles utilizan el tipo de suspensión MacPherson, tanto en la parte delantera como trasera, sin ningún inconveniente en su desempeño.

3.5.10 Cálculo de Rigidez y Amortiguamiento de la Suspensión Los elementos básicos de un sistema de suspensión son los resortes y los amortiguadores, los resortes reducen las perturbaciones originadas por los desplazamientos hacia arriba y hacia debajo de las ruedas, debido a los obstáculos y depresiones del suelo, ocasionando un estado de vibración a la masa no suspendida. Los amortiguadores tienen la misión de reducir el estado de vibración, de la masa suspendida, a cero. Por otra parte, para el cálculo de cualquier tipo de suspensión, las magnitudes básicas que se deben tomar en consideración son: flexión y frecuencia de oscilación. Se llama flexión, al desplazamiento de un elemento elástico, bajo la acción de un peso, por ejemplo una ballesta, o al desplazamiento del extremo de una barra de torsión. Cuánto menor sea la masa de las ruedas y eje, (masa no suspendida), mejor se adaptará su conjunto a las irregularidades del terreno, y por lo tanto, menores serán las perturbaciones, ya que las fuerzas que originan los desplazamientos, a igual aceleración, son menores. Si v y m representan la velocidad vertical y la masa de la parte no suspendida respectivamente y si V y M representan los mismos elementos para la parte suspendida, la igualdad de las energías cinéticas de m y M da, despreciando todo amortiguamiento: ½ mv2 = ½ MV2 por lo que: V = v(m/M) El valor de V será menor si la relación m/M también los es. El peso máximo que se estima que tendrá el carro será de 250 Kg., contando el peso del piloto y los depositos de fluidos como aceite y gasolina. Suponiendo que el peso se distribuye por igual en las cuatro ruedas, entonces cada rueda soporta un peso de: 250kg. = 62.5kg. 4 119

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Se toma como norma general un valor de cuatro veces la carga en vacío como valor de carga máxima en compresión. Dicho valor es difícilmente alcanzable con la fuerza proporcionada por el muelle, siendo necesario la mayoría de las veces el uso de topes elásticos de compresión, si bien siempre se procura que el taco de comprensión no actúe antes de llegar a la posición correspondiente a la carga máxima. [3.6] La rigidez de los resortes que se requieren para la suspensión se obtiene del análisis de fuerzas de la figura 3.27 Como el sistema está en equilibrio, se hace sumatoria de momentos con respecto a C (Fig. 3.27) para obtener la fuerza en el resorte.

∑M ∑M

C

C

=0

= (W/4* 431mm) – (FR Cos 22° * 161 mm) = 0

(62.5 Kg * 0.431m) = (FR Cos 22° * 0.161m) FR = 185 Kg. Donde: FR

=

Fuerza en el resorte

W/4

=

peso del carro dividido por cuatro. 22°

273 mm

FR

161 431 mm

W/4

Fig. 3.27 Análisis de fuerzas en suspensión delantera.

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Si la fuerza ejercida en el resorte es de 185 Kg. y la norma general dice que se debe tomar cuatro veces la carga en vacío para la máxima compresión del resorte, entonces se considera una carga de 185 Kg. * 4 = 740 Kg. Si el viaje de la llanta se planea de 125 mm, el resorte del amortiguador se comprime 65 mm (obtenido gráficamente en CAD). Si a plena carga se tienen 740 Kg., y la longitud que se comprime el resorte es de 65 mm, entonces la rigidez necesaria en cada resorte de rueda delantera es de: kg. 740kg. = 113.8 6.5cm. cm.

Aplicando el mismo criterio para la rueda trasera, se hace el análisis de fuerza en el resorte trasero en la figura 3.28 42° FR

350 mm 410 mm W/4

Fig. 3.28 Análisis de fuerzas en suspensión trasera.

Como el sistema esta en equilibrio se hace sumatoria de momentos con respecto a C para obtener la fuerza en el resorte:

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∑M ∑M

C

C

=0

= (W/4* 410mm) – (FR Cos 42° * 350 mm) = 0

(62.5 Kg. * 0.410m) = (FR Cos 42° * 0.350m) FR = 92.65 Kg. Donde: FR

=

Fuerza en el resorte

W/4

=

peso del carro dividido por cuatro.

Si la fuerza ejercida en el resorte es de 92.65 Kg. y aplicando la norma general, entonces se considera una carga de 92.65 Kg. * 4 = 370.63 Kg. El viaje de la llanta se planea de 90 mm, el resorte del amortiguador se comprime 50 mm (obtenido gráficamente en CAD). Si a plena carga se tienen 370.63 Kg., y la longitud que se comprime el resorte es de 50 mm, entonces la rigidez necesaria en cada resorte de rueda trasera es de: 370.7 kg. kg. = 74.14 5.0cm. cm. La rigidez total de la suspensión Keq será la sumatoria de la rigidez en cada llanta: Keq = k1 +k2 + k3 +k4 Keq = 92.65 Kg/cm +92.65 Kg/cm + 74.17 Kg/cm + 74.14 Kg/cm Keq = 333.64 kg/cm El rango de rigidez ó rigidez efectiva de la suspensión se calculará obteniendo el cálculo de rigieses en serie como sigue [3.7]: RR =

K s Kt K s+ K t

3.2

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Donde: RR = rango de rigidez Ks= Rigidez de la suspensión Kt= Rigidez de la llanta La rigidez de la llanta se toma de tablas [3.5], considerando un carro con un peso similar al de un Mini Baja. La rigidez de la llanta es de 120 kN/m = 122.32 Kg/cm, multiplicado por las cuatro llantas, resulta una rigidez equivalente de 489.29 Kg/cm. Sustituyendo valores en 3.1 resulta: RR =

(333.64)(489.29) = 198.37 Kg 333.64 + 489.29

cm

Con este valor del rango de rigidez se puede calcular la frecuencia natural no amortiguada de la suspensión, utilizando la siguiente ecuación [3.7]

f n = 0.159

19837 f n = 0.159

RR * g W Kg m * 9.81 m seg 2 125 Kg .

f n = 4.43Hz. La frecuencia natural en una suspensión ocurre a la frecuencia natural amortiguada ϖ dada por:

ϖ d=ϖ

n

1 − ζ s2

3.2

Donde:

ζ s = relación de amortiguamiento

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d

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ϖ n = frecuencia natural de la suspensión en ausencia de amortiguamiento ζs =

Cs

3.3

4K s M

Cs= Coeficiente de amortiguamiento de la suspensión. Como la frecuencia natural si amortiguamiento está por arriba de lo permisible para la salud humana, la frecuencia amortiguada, la podemos igualar a 1.5 Hz (9.42 rad/seg) para de esta forma despejar la relación de amortiguamiento de la ecuación 3.2 como sigue a continuación:

ζ = 1 - (ϖ sustituyendo ϖ

d

yϖ

n

d

/ ϖ n)2

3.4

resulta:

ζ = 1 - (9.42 rad/seg. / 27.83rad/seg)2 s ζ = 1 - (9.42 rad/seg. / 27.83rad/seg)2 s ζ = 0.885 s Como no se sabe la relación de amortiguamiento, se sustituye el valor de la relación de amortiguamiento en 3.3 y se despeja Cs de la forma siguiente: Cs = ζ s 4K s M   Kg  250kg.  C s = 0.885 4 33364  m m    9.81 seg 2  C s = 1632.1 C s = 16.32

     

Kg ⋅ seg m

Kg ⋅ seg cm

Todos los dibujos de detalle de la suspensión trasera, se presentan en el anexo 4. El dibujo de ensamble de la suspensión y dirección se presenta en el anexo 5. La selección de rodamientos de ruedas traseras y delanteras se presenta en el anexo 6.

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Capítulo 3 Metodología de Análisis y Aplicación al Caso de Estudio.

3.6 Sumario. El uso de una metodología en el proceso de diseño, facilita la compresión del problema y la forma de llevar a cabo el desarrollo. Durante el pasado capítulo, la metodología usada permitió obtener el diseño de los sistemas de suspensión y dirección de una manera adecuada. La generación de ideas en el diseño conceptual es fundamental para el producto final, y la manera de elegir la idea más adecuada a las necesidades del cliente, permite a la fase de diseño de detalle desarrollarse fluidamente. El diseño de la suspensión y dirección es laborioso y de larga duración ya que se deben contemplar todas las consideraciones de espacio en donde se va a colocar y las refacciones que se utilizarán para la construcción. Los ángulo de las ruedas delanteras involucran tanto a la dirección como a la suspensión, por lo que se debe estudiar sus formas, medidas y acomodo entre partes al mismo tiempo. La simulación dinámica, a través de programas de computo, es de gran ayuda para visualizar el comportamiento de las piezas ensambladas, así como para comprobar el correcto desempeño de los ángulos de dirección. El paquete ADAMS/View, es una poderosa herramienta para la simulación de sistemas dinámicos. La fase complementaría a este capítulo son las pruebas realizadas al prototipo, el capítulo siguiente trata sobre su desempeño general del prototipo

3.7 Referencias. 3.1 Ramos Watanave Jorge, Curso de Diseño Mecánico, Volumen I y II, IPN – ESIME – SEPI, México D. F. 2000 3.2 www.sae.org 3.3 Plata Contreras Gerardo. Diseño, Análisis y Construcción de un carro SAE Mini Baja, Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN. México, 2003. 3.4 Herb Adams, Chassis Engineering, SAE 400 Commonwealth Drive Warrendale, PA 15096-0001, 3.5 John C. Dixon, Tires, Suspension and Handling, Second Edition, SAE 400 Commonwealth Drive Warrendale, PA 15096-0001, 3.6 José Font Mezquita, Juan F. Dols, Tratado Sobre Automóviles, Universidad Politécnica de Valencia. Alfaomega, 2001. 3.7 Thomas D. Gillespie, Fundamentals of Vehicle Dynamics, Warrendale, PA 15096-0001.

SAE 400 Commonwealth Drive

3.8 Rosales Iriarte Francisco. Diseño y Análisis de una Transmisión de Velocidad Variable para un Auto SAE Mini Baja. Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN. México, 2003 3.9 SSC Education and Training, Basic ADAMS Full Simulation, Training Guide, Release 11.0, 2001

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

Capítulo 4 Evaluación de Resultados

Todo proyecto de ingeniería tiene que ser evaluado, de tal forma, que resulte confiable y su interpretación sea fácil y comprensible. En este capítulo se presenta el prototipo que resultó de la conjunción del diseño general del carro y se evalúa únicamente el sistema de dirección y suspensión.

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

“Después de un proyecto culminado, solo se debe seguir un objetivo: aplicar la experiencia obtenida para expandir las fronteras y poder así contribuir al desarrollo y ampliar nuestra sabiduría” Anónimo.

4.1 El Modelo Sinérgico Por sencillo que pueda parecer un problema de diseño, se debe tratar de describir todas sus caras. Ningún problema real de diseño puede visualizarse en un solo plano. Siempre hay diferentes facetas que deben considerarse. Un problema de diseño es como un poliedro en el que cada cara corresponde a un enfoque diferente; funcional, económico, estético, seguridad, durabilidad, manufacturabiliad, etc. Es prácticamente imposible que una sola persona domine tantos temas y dé las mejores soluciones en cada uno de estos enfoques. El modelo sinérgico de desarrollo de productos, que se basa en la integración de un equipo de trabajo para realizar el diseño, particularmente en el involucramiento temprano de personal de manufactura, se plantea actualmente como la mejor forma de atacar problemas de diseño. En consecuencia, debería convertirse en una práctica común tanto en la fase formativa del diseñador, como en la industria. Este trabajo es el resultado de la integración de un equipo para diseñar un carro SAE Mini Baja, en donde los sistemas que lo integran, se dividieron para estudiarse por separado y así obtener un diseño detallado de cada componente. Cabe señalar que durante todo este proceso se estuvo en constante comunicación para que la integración de los componentes fuera exitosa y para que hubiera correspondencia en cuanto a formas, dimensiones y estética. Los sistemas que participaron en el desarrollo del proyecto fueron: Chasis, Transmisión, Suspensión y Dirección. Una vez terminada la fase de diseño se realizaron las pruebas al prototipo que se construyó. En este trabajo no se incluye el estudio de la fabricación de las partes, debido a que la teoría de suspensiones y direcciones es muy extensa y el desarrollo completo y detallado de la fabricación, lo es también; por lo que, si se presentara todo el trabajo, lo haría demasiado extenso y cansado, o sólo se presentaría un resumen de cada parte, dejándolo incompleto. Sin embargo, la fase de fabricación estuvo contenida en esta tesis, y los resultados que se presentan son los obtenidos del prototipo completo ya fabricado. Todo el proyecto duró aproximadamente 1 año con 2 meses en donde 6 estuvieron dedicados al diseño de los sistemas, 2 a la construcción, 4 a las pruebas, modificaciones y participación en las carreras a las que asistió, y finalmente se dispuso de 2 meses para la preparación de reportes, presentaciones y documentos que validaran el diseño. La figura 4.1 muestra la secuencia de las actividades realizadas durante todo este tiempo. Para conocer más, acerca del diseño completo del carro se puede consultar los trabajos complementarios [4.1] y [4.2].

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

Los resultados analizados en este capítulo corresponden a los sistemas de suspensión y dirección. La figura 4.1 resume todas las actividades realizadas durante el desarrollo de este proyecto, desde la fase de diseño, hasta los resultados obtenidos. Uno de los aspectos más importantes del desarrollo, fue la participación en las carreras SAE Mini Baja, donde se puso a prueba el prototipo obtenido, y de donde se obtuvo valiosa información que condujo a la modificación de partes, para mejorar su desempeño.

QFD Diseño conceptual Diseño de detalle (por sistema)

Integración de sistemas y construcción de prototipo.

Primera carrera Toluca experiencia Análisis de fallas reparaciones y mejoras

Carrera de Querétaro experiencia Análisis de fallas Reparaciones y mejoras

Carrera de Utah

Experiencia y Resultados

Memorias, Trabajo de tesis, Prototipo, participación en 3 eventos

Fig. 4.1 Resumen de las actividades realizadas en el proyecto

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

4.2 Resultados Obtenidos en la Suspensión y Dirección. En la primera competencia realizada en Toluca Edo. de México, (Noviembre 2002) los sistemas recién ensamblados, fallaron durante la primera parte de la carrera, debido a la premura por terminar el prototipo y poder asistir a dicho evento. Los sistemas que fallaron fueron: el sistema de ejes deslizantes en la transmisión, el sistema de dirección y el sistema de freno. La descripción de la falla en la dirección se describe a continuación: Los brazos de dirección no estaban orientados en la forma adecuada, ya que su diseño se realizó mediante el método gráfico, los ángulos descritos por las ruedas tenían un error de un 5% con respecto a los valores teóricos, si embargo su desempeño era permisible. La falla se ocasionó debido a que el sistema de cremallera no estaba colocado adecuadamente, causando que las llantas convergieran de forma positiva 15 grados cada una, cuando la suspensión viajaba 15 cms. Esto ocasionó sobreesfuerzos en las rótulas de unión entre el brazo de dirección y la biela, provocando finalmente la ruptura de la misma. En el segundo evento al que se asistió, se modifico el varillaje, así como la orientación del brazo de dirección, colocándolo 3,5 cms por debajo del eje de giro del perno rey, se colocaron rótulas más robustas y se modificó la posición del sistema piñón cremallera, quedando 3 centímetros arriba de su posición anterior. Como resultado de estas modificaciones, se eliminó casi por completo la convergencia de las ruedas cuándo la suspensión viajaba a través de toda su carrera, quedando una convergencia positiva residual de 1° , considerada normal y permisible para este tipo de carros. Los ángulos de viraje de cada rueda, eran los adecuados, teniendo un error promedio de 1.5% entre los valores teóricos y los valores reales. A pesar de las modificaciones hechas al sistema de dirección, éste falló nuevamente, debido a que cuando se cambio la posición de los brazos de dirección, la soldadura no estuvo bien aplicada, además de que se enfrió de forma forzada a través de un ventilador, el resultado fue que la soldadura se fragilizó y durante la carrera se presentó un impacto frontal que causó la fractura de este brazo. La figura 4.2 muestra la falla en el brazo de dirección. Debido a esta falla y a que el carro necesitaba una mayor altura con respecto al piso, se decidió modificar la suspensión para elevarlo. Antes de las modificaciones se analizó la zona de falla en el poste de dirección izquierda a través del paquete de elemento finito COSMOSXpress. Los resultados se muestran en la figura 4.3, el análisis se hizo utilizando la teoría de falla de Von Mises y considerando un fuerza frontal de 2500 Newtons. Las restricciones se hicieron en el hoyo de los tornillos y en el perno rey. La fuerza se aplicó en el brazo de dirección, simulando que la fuerza aplicada, tiene la reacción en la dirección en la que conecta la biela, a través de la rótula.

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a)

b)

c)

b)

Fig. 4.2 Brazo de dirección. a) Vista vertical del poste derecho de dirección completo, b) posición horizontal, c) vista del brazo derecho fracturado, d) vista de la zona donde falló la soldadura.

Los resultados del análisis de diseño realizados en COSMOSXpress, están basados en el análisis estático lineal y se asume que el material es isotrópico. El análisis estático lineal asume que: 1) el comportamiento del material es lineal de acuerdo con la ley de Hooke, 2) los desplazamientos inducidos son convenientemente pequeños para no tener en cuenta los cambios de rigidez debidos a las cargas, y 3) las cargas se aplican lentamente para pasar por alto los afectos dinámicos. Este paquete de diseño simula las cargas aplicadas a un modelo hecho en el paquete en el qué se realizó la suspensión, llamado Solid Works V2003. El tamaño del elemento que se utilizó fue de 0.0029155 mm, el número de elementos resultantes fue de 55919, y el número de nodos de 85815, para el segundo poste de dirección. Para el primer brazo se utilizo un tamaño igual del elemento, resultando 59180 elementos y 88152 nodos. Este análisis se hizo para complementar las decisiones en el diseño de un nuevo poste de dirección, que junto con la experiencia práctica del primero, validaron su factibilidad. Las figuras 4.3 y 4.4 muestran las zonas de concentración máxima de esfuerzos en ambos brazo de dirección.

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Zona de mayor concentración de esfuerzos.

Fig. 4.3 Zona de concentración de esfuerzos en el primer brazo de dirección

En la figura 4, 3 se indica la zona donde se concentran los esfuerzos, que es en el vértice de unión del brazo de dirección, el valor del esfuerzo máximo es de 270. 5 MPa, lo que arroja un factor de seguridad de 1.95, considerando al esfuerzo de cedencia, como el esfuerzo permisible. La figura 4,4 muestra el segundo brazo de dirección, cuyo esfuerzo máximo es de 240.7 MPa, lo cuál deja un factor de seguridad de 2.2. Para la fabricación del segundo brazo de dirección se cuido el ensamble y la aplicación de la soldadura, para evitar que se repitiera la falla.

Zona de concentración de esfuerzos.

Fig. 4.4 Zona de concentración de esfuerzos en el segundo brazo de dirección

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

4.2.1 Modificaciones Realizadas. Por lo que respecta a las modificaciones que se le hicieron a la suspensión para reforzarla y ganar distancia con respecto al piso se realizó lo siguiente:

•

Se hizo el análisis de las geometrías para determinar las nuevas dimensiones que necesitarían los brazos y postes de dirección, así como del tipo de rótulas a utilizar, para elevar la suspensión de 25 a 35 cms.

•

Se diseñaron nuevamente los postes y brazos de dirección para hacerlos más resistentes, es decir se determinó utilizar un criterio de cargas más grande para calcular los esfuerzos.

•

La suspensión trasera también se rediseñó para elevar más la distancia al piso; se diseñaron y construyeron nuevamente los brazos de inferiores, los brazos auxiliares, las masas, los ejes y además de utilizaron llantas de mayor capacidad y tamaño.

•

La dirección se modificó también debido al cambio de dimensiones y posición del brazo de dirección. El cambio consistió en hacer un nuevo arreglo en las rótulas que unen a la cremallera con las bielas. Para fijar la estructura de la cremallera se soldó al chasis, además de usar las abrazaderas tipo omega. Se modificó también el tipo de fijación de la tapa del piñón; en lugar de ser a presión se utilizó remaches.

Las modificaciones realizadas al sistema se suspensión y dirección del carro se muestran en las figuras 4.5 a 4.10. En la figura 4.5 se muestra el cambio del primer diseño de la suspensión al actual, en el primer diseño, se utilizó rótulas esféricas para sujetar el brazo de dirección a través de tornillos allen, este diseño era muy fácil de ensamblar, era ligero y de fácil construcción.

a)

b)

Fig. 4.5 Suspensión delantera. a) primer diseño, b) segundo diseño

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

El inconveniente del primer diseño de la suspensión (Fig. 4.5 a), fue que las rótulas esféricas no permitían tener un viaje amplio de la suspensión , siendo de únicamente 18 centímetros, además de que con este arreglo la altura al piso era de 25 centímetros. Con el nuevo diseño (Fig. 4.5 b), se utilizaron rótulas tipo terminal, que permiten tener un viaje más amplió de la suspensión, además de ser más robustas. Para utilizar estas rótulas se diseñó un poste de dirección que utiliza el mínimo de material y espacio, el resultado fue el que se ve en la figura (Fig. 4.5 b). La desventaja con respecto a la anterior, es que su ensamble es un poco más tardado, su manufactura es un poco más complicada y pesa un 35% más, sin embargo permite un viaje de la suspensión de 30 centímetros, 12 más que la anterior, y la altura al piso que puede tener es de hasta 35 centímetros, además de ser mucho más robusta y resistente. La figura 4.6 muestra claramente la diferencia entre ambos postes de dirección, nótese que el primer diseño es más delgado y por lo tanto más ligero. La figura 4.7 es una foto del paso sobre rocas en la competencia de Querétaro (febrero 2003), prueba diseñada para mostrar el desempeño del sistema de suspensión y la potencia del carro. En este evento se averío también, el brazo inferior derecho de la suspensión delantera.

Fig. 4.6 Comparación entre diseño preliminar y diseño final del poste de dirección.

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

Fig. 4.7 Prueba de paso sobre rocas.

En la figura 4.8 se puede ver la diferencia entre las alturas de la primera (a) y la segunda (b) suspensión trasera. Nótese también que para la segunda suspensión se utilizaron llantas 23x9x11, que a comparación de las primeras; 21x7x10, proporcionan una ganancia de altura de 6 centímetros. La diferencia de altura entre la primer y segunda suspensión, es de 10 centímetros.

a)

b)

Fig. 4.8 Diferencia de altura entre suspensiones. a) primer diseño, b) segundo diseño.

En la figura 4.9 se tiene la diferencia entre la primera y segunda suspensión trasera, en la primera (a), los brazos auxiliares eran de una sola pieza y unían la parte superior de la masa, con la parte media del brazo inferior, en la segunda suspensión se puede ver que los brazos estan unidos a la parte superior de la masa a través de rótulas esféricas tipo macho, las cuales permiten calibrar la caída de la llanta.

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

a)

b)

Fig. 4.9 Suspensión trasera. a) primer diseño, b) segundo diseño

El sistema de dirección es básicamente el mismo, las únicas modificaciones que se han hecho, ya se mencionaron anteriormente, la figura 4.10 muestra este sistema, en la parte inferior de a), está la unidad de piñón y cremallera, es muy ligera, tiene buena respuesta, su manufactura, ensamble y mantenimiento son sencillos y rápidos. En b) se muestran las rótulas que conectan el brazo de dirección con la cremallera a través de la biela (varilla color verde), nótese el uso de guardapolvos en la cremallera y rótula esférica (parte media derecha de la imagen b) para evitar la contaminación por lodo, polvo o agua.

a)

b)

Fig. 4.10 Suspensión de dirección. a) unidad de piñón y cremallera, b) rótulas y biela.

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

4.3 Simulación Dinámica de la Suspensión y Dirección. Para asegurar que al integrar los sistemas de suspensión delantera y dirección, funcionen correctamente, se puede hacer uso del análisis dinámico para observar el comportamiento de los componentes y verificar que los ángulos de dirección sean los esperados durante su movimiento relativo entre ellos.

4.3.1 Generalidades para el Análisis Dinámico en ADAMS Una poderosa herramienta de simulación dinámica es el paquete de cómputo ADAMS [3.8] (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)., que permite simular el movimiento de componentes mecánicos, bajo la carga de trabajo, generando diferentes rutinas a través de funciones y comandos. Esta tecnología fue implementada hace alrededor de 25 años, el producto original es ADAMS/Solver, el cual es aún, una ampliación de ADAMS, que resuelve ecuaciones numéricas no-lineales. Para poder generar modelos dentro de esta paquetería es necesario utilizar archivos en formato de texto, para así después, poderlos transferir a ADAMS/Solver y generar resultados. Los cuales serán únicamente de tipo texto. ADAMS/View fue creado a principios de los 90´s, y en sus principios permitió a los usuarios construir, y examinar resultados simultáneamente en la misma aplicación, todo esto de forma visual, sin la necesidad de escribir uno a uno los parámetros y propiedades de todos los elementos del sistema mecánico a analizar. Por tal motivo, es en esta aplicación donde se construirán los sistemas de suspensión y dirección diseñados en este trabajo de tesis, analizando cada uno de los resultados obtenidos. La finalidad es la comparación de la dinámica obtenida con los ángulos y movimientos esperados en los cálculos teóricos del capítulo 3. Los pasos a seguir para la simulación en ADAMS/View V.11 fueron: Construir Probar Validar Refinar Iterar Optimizar Las figuras 4.11 y 4.12 muestra los ángulos de viraje de las ruedas y el ángulo de convergencia de las llantas cuando viajan a todo lo largo de su carrera.

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

Fig. 4.11 Ángulos de convergencia de las llantas cuándo la suspensión viaja a lo largo de toda su carrera.

Fig. 4.12 Ángulos de viraje de las llantas cuándo la suspensión viaja a lo largo de toda su carrera.

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

Durante la construcción del modelo, primero se hizo la simulación para obtener los ángulos de viraje correctos de la dirección, posteriormente se modeló la suspensión y se integraron en un tercer modelo ambos sistemas. En el capítulo 3 se mostró el cálculo de estos ángulos, así como el análisis de la suspensión, y para verificar el funcionamiento de ambos sistemas, se hizo la simulación completa en ADAMS/View V11. La tabla 4.1 muestra la comparación de los ángulos de viraje teóricos con los ángulos reales de la suspensión y dirección integrados, y la tabla 4.2 muestra los valores de posición de cremallera, longitud del varillaje de la dirección y la convergencia que tiene la llanta durante su viaje. Tabla 4.1 Ángulos teóricos y reales de viraje a la izquierda Posición extremo-extremo de la dirección.

Llanta Izquierda Derecha

Valor real 41.03 28.04

Valor teórico 41 28.04

Diferencia 0.03 0

Error 0.073% 0.0%

Tabla 4.2 Valores obtenidos en ADAMS/View

Angulo de viraje máximo en rueda derecha Angulo de viraje máximo en rueda izquierda Longitud de biela de dirección

41.03° 28.04 288.92 mm Longitud de cremallera 420 mm. Distancia de la línea central de cremallera a la línea entre pivotes 70 mm Carrera de la cremallera para virar completamente hacia la izquierda o derecha 48 mm. Angulo de convergencia en la llanta durante una carrera de 20 cms de la 1.3° suspensión. (Negativo)

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

4.4 Características Finales del Carro con el Sistema de Dirección y Suspensión Integrados. Las características que se tienen en los sistemas de suspensión, se pueden dividir en estáticas y dinámicas. Las estáticas son las referentes a las capacidades que tiene el carro para atravesar por distintos tipos de caminos, la cuales varían dependiendo del tipo de suspensión y dirección con el que cuente. Las dinámicas son las realizas con el carro en funcionamiento, en estas se miden parámetros como: ángulo de giro en los virajes, viaje de la suspensión, radio de giro, sensibilidad y respuesta de la dirección, etc. Ambas pruebas, dirección y suspensión, se pueden hacer al mismo tiempo, ya que estos sistemas tienen una amplia relación. Lo primero que se debe medir son las características estáticas.

4.4.1 Características Estáticas Estas son los ángulos y medidas entre el auto y la superficie del camino que puede franquear el vehículo. Estas medidas son de gran importancia para el conductor, porque sabiendo las condiciones del terreno, se puede determinar si el vehículo es capaz de atravesar o no por él. Las medidas se hacen con el vehículo detenido, considerando el peso del conductor, y la presión de inflado de las llantas, especificada en sus costados. En la práctica estas medidas pueden variar dependiendo de la velocidad del vehículo, y de si se cambia el tipo de llantas.

Angulo de Ataque.-

Es el ángulo entre la horizontal y la superficie pendiente a la que el vehículo puede subir, sin que tope la defensa, alguna parte del chasis, o cualquier otra parte del carro. La figura 4.13 muestra que el ángulo de ataque es de 55°.

55°

a)

b)

Fig. 4.13 Angulo de ataque del carro, a) modelado, b) en prueba de pendiente.

El modelado sólido ayudó a visualizar estos ángulos al integrar los sistemas de chasis y suspensión del carro.

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

Angulo Ventral.-

El ángulo con el que el vehículo puede franquear un obstáculo sin tocar los bajos. Puede ser modificado por la carga del vehículo, por el cambio de tamaño o de presión de los neumáticos, el cambio de suspensión o por el hecho de añadir elementos bajo el vehículo (por ejemplo un deposito de combustible suplementario, protecciones en los bajos o un par de estribos). La figura 4.14 muestra que este ángulo es de 140°.

140° a)

b)

Fig. 4.14 Angulo ventral del carro, a) modelado, b) pasando una pendiente.

Angulo de salida.- Es el ángulo entre la horizontal y la pendiente más inclinada que se puede bajar sin tocar el parachoques trasero con el piso. Es modificado por la carga, los neumáticos y su presión, la suspensión o por el hecho de añadir accesorios traseros, como la placa con hoyo para enganchar de remolque. La figura 4.15 muestra que este ángulo es de 42°.

42°

a)

b)

Fig. 4.15 Angulo de salida a)saliendo de la pendiente, b) bajando la pendiente.

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

Altura mínima al suelo: La altura mínima al suelo es la altura más baja debajo del vehículo Es muy importante conocer la geometría de los bajos para saber sortear los obstáculos entre las ruedas. (vale más esquivar un obstáculo o pisarlo, que tratar de pasarlo por arriba). La presión de los neumáticos modifica esta medida. La figura 4.16 muestra que este altura es de 32 centímetros.

32 cm.

a)

b)

Fig. 4.16 Altura del carro, a) modelado, b) prototipo construido.

Distancia entre ejes. Es la distancia que separa los ejes de las ruedas traseras, con el de las delanteras. Un vehículo corto a menudo pasa sin problemas por donde los grandes tocan o se quedan colgados. Sin embargo, se pierde un poco en estabilidad en las curvas, así como la inclinación máxima (peligro de volcar). Si se tiene un vehículo con poca distancia entre las ruedas, se disminuye el ángulo de giro del vehículo, y disminuye su ángulo ventral. La figura 4.17 muestra que la distancia entre ejes es de 1.50 metros.

1.5 m.

a)

b)

Fig. 4.17 Distancia entre ejes, a) modelado, b) prototipo.

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

Vía: La distancia que separa la mitad de la rueda derecha a la mitad de la izquierda. Esta medida es muy importante, en zanjas o los pasos de puente con troncos de árboles. Una vía estrecha es desfavorable a la hora de las pendientes de lado, ya que el ángulo máximo de inclinación depende totalmente del ancho de nuestro vehículo pero una vía estrecha, los carros pueden desplazarse entre los obstáculos con mayor efectividad que con un vehículo ancho. La figura 4.18 muestra que el ancho entre centros de ruedas es 1.34 metros.

1.34 m

a)

b)

Fig. 4.18 Ancho entre centro de llantas del carro,

a) modelado, b) camino con zanjas a los lados.

Profundidad de vadeo: Determina cuanta profundidad se puede enfrentar a la hora de cruzar un vado con agua. Generalmente está dada por la ubicación de la toma de aire del motor, la salida de escape y diversos elementos eléctricos que pueden arruinarse al mojarse. Se puede aumentar este valor elevando la toma de aire del vehículo mediante un respiradero elevado (snorkel), modificando la salida del escape y protegiendo la instalación eléctrica. Con la altura que se muestra en la figura 4.19, se considera que el piloto se moja. El nivel del agua está por debajo del respiradero del reductor y las poleas variadoras. La figura 4.19 muestra que la altura de vadeo es de 45 centímetros.

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

45 cm

Fig. 4.19 Profundidad de vadeo.

Inclinaciones:

Dependiendo de varios de factores (largo, ancho del vehículo, carga, neumáticos, tipo de suelo), el carro podrá afrontar pendientes laterales de cierto grado, antes de poner en peligro la estabilidad y volcar. La figura 4.20 muestra que el ángulo de volcadura se está a 40 ° con respecto a la horizontal.

40°

a)

b)

Fig. 4.20 Angulo de volcadura, a) modelado, b) pasando prueba sobre rocas.

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

El centro de masa fue calculado en el modelado sólido, el cual resultó estar a una distancia de 35 centímetros del nivel del piso. Con esta altura, y con el ancho del carro, se calculó que la volcadura se presentaría a 60 grados de inclinación, que es la poción en donde se encuentra en equilibrio estático. La figura 4.21 muestra las posiciones de volteo de un vehículo. La figura a) muestra que el centro de gravedad está por fuera de la base de las llantas, por lo que la volcadura del carro es inminente, la figura b) muestra al vehículo en posición de equilibrio, porque la prolongación vertical del centro de gravedad está justo en el extremo de la base de las llantas, aquí un ligero movimiento puede volcar el carro hacia uno u otro lado, y finalmente la figura c) muestra al vehículo en una posición segura, porque su centro de gravedad está dentro de la base de las ruedas.

cg

cg

a)

cg

b)

c)

Fig. 4.21 Ángulos de volcadura, a) inseguro, b) en equilibrio, c)seguro

El ángulo de volcadura especificado para el vehículo, es 20 grados menor a la posición de equilibrio, para dejar un margen de seguridad. La prueba final se realizó con el prototipo y el conductor a bordo, se levantó el carro hasta la poción de equilibrio estático (Fig. 4.9 b) y se midió un ángulo de 55°, por lo que el ángulo de 40° que se especifica, está dentro de un rango seguro.

Distribución de Peso.- 40% en ruedas delanteras y 60% en ruedas traseras. 4.4.2 Características Dinámicas El análisis dinámico del vehículo es realizado para diferentes propósitos, por ejemplo, para confirmar que es válido el diseño de un vehículo propuesto, para evaluar los cambios realizados al mismo, o para comprobar una teoría, en la espera de obtener una mejor comprensión sobre las mejoras que se pudiesen hacer en el comportamiento del vehículo.

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

Algunas de las pruebas dinámicas, de las cuales se pueden obtener resultados objetivos, son por ejemplo desarrollar una maniobra a la máxima velocidad y en el tiempo más corto, obteniéndose una medida de desempeño en velocidad o tiempo. Alternativamente, se obtiene una opinión subjetiva del conductor, acerca del desempeño del vehículo. Una de las últimas pruebas de manejo es dejar que el vehículo sea manejado por conductores de prueba experimentados sobre un amplio rango de tipos de caminos y condiciones climáticas. Los conductores pueden calificar al vehículo en varios aspectos, y en particular pueden señalar cualquier situación o problema detectado, esto es un análisis subjetivo. La ventaja de este método es que es comprensible y realista. Aunque puede ser posible relacionar los comentarios de los conductores de prueba, con las medidas de desempeño objetivas, y con los detalles de diseño del vehículo, esto no es fácil y no siempre factible. Para comprender las características de manejo y relacionarlas a las especificaciones de diseño, es común usar varias pruebas estandarizadas llamadas de “lazo cerrado”. Estas pruebas son de una naturaleza relativamente simple, tal que las respuestas del vehículo se pueden medir de una manera objetiva. Con el presente estado de conocimiento, hay un espacio sustancial entre las pruebas idealizadas y el más amplio comportamiento sobre el camino del vehículo. Aunque ha habido algo de progreso en esta área, aún no es posible definir una serie de pruebas estandarizadas que comparen adecuadamente el comportamiento de un vehículo sobre el camino. [4.5] Las pruebas básicas comunes son operar el vehículo sobre una curva, a velocidad y radio constante, manejar sobre pistas inclinadas lateralmente, y manejo con viento de lado. Las pruebas dinámicas fundamentales son las de arranque, velocidad máxima, y algunas compañías armadoras analizan la capacidad de cambio de carril, manejar a velocidad constante variando la curvatura de la pista, y conducir en zigzag entre obstáculos predeterminados. Las pruebas dinámicas que corresponden a la potencia del carro como aceleración, capacidad de arrastre y subida de pendiente se pueden consultar en [4.2]. Como pruebas dinámicas realizadas al prototipo se puede mencionar el desempeño en tres carreras, donde la suspensión estuvo sujeta a minutos de trabajo en condiciones de terreno accidentado, la tabla 4.3 muestra los resultados obtenidos en dichas carreras. Tabla 4.3 Desempeño del carro en las carreras en las que participo. Lugar de la Carrera

Duración de la carrera

Longitud por vuelta

No. de vueltas dadas

3 hrs

2 km.

6

40

7 min.

60 min

12 km.

16

45

8 min.

170 min

48 km.

16

46

9 min.

210 min.

51.5 km.

Toluca Edo. de México Querétaro Qto. Provo, Utah, E.U.

3 hrs |4 Hrs

3 km. 3.218 km. (2 millas)

Velocidad Longitud Tiempo Tiempo total máxima total por vuelta de trabajo alcanzada. recorrida

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

Las condiciones del terreno sobre el que se corrió en cada una de las carreras mencionadas en la tabla 4.3 fueron diferentes, por ejemplo, en la de Toluca el ambiente era de bosque y hubo pendientes, polvo y suelo duro, en la de Querétaro el ambiente fue desértico; hubo polvo, rocas, vado de lodo, pendientes y vegetación con espinas. Para la última carrera en Estados Unidos, el ambiente fue semiarenoso de media montaña, y aquí hubo lodo, lluvia, vados, pendientes, rocas y pequeños arbustos. En estas tres carreras la suspensión y dirección tuvieron un desempeño adecuado, la respuesta en la dirección fue rápida como para permitir virajes en vueltas de 90° a 30 km hora y la suspensión permitió atravesar por todas las condiciones que se mencionaron anteriormente. Los fallas que se presentaron en las carreras fueron debidas a errores en el proceso de manufactura y en la pericia del conductor. Cabe mencionar que durante un recorrido de maniobrabilidad en la carrera de Estados Unidos, el carro sufrió una volcadura en donde cayó en un desnivel de 3 metros, pegó de frente y volcó, para finalmente caer sobre su costado izquierdo, donde la suspensión recibió todo el peso del carro, sin sufrir daño en sus componentes elementales, el único daño fue la fractura del eje de transmisión y la fractura en un extremo del amortiguador delantero izquierdo. La figura 4.22 muestra la imagen de la volcadura.

a)

b)

Fig. 4.22 Volcadura en recorrido de maniobrabilidad., a) primer impacto, b) posición final.

4.5 Frecuencia de Oscilación de la Masa Suspendida. La frecuencia de oscilación calculada fue de 1.5 Hz, que es la frecuencia que se considera que no afecta la salud humana . Durante las pruebas de manejo, y las carreras se observó que el carro oscila solo una vez para recuperar su estado de no oscilación, después de haber recibido una fuerza de excitación por un tope o baches, aproximadamente en 1 segundo, por lo que la frecuencia de la masa suspendida se encuentra dentro del rango de 1 a 2 Hz. Para analizar el viaje de la suspensión y el comportamiento de los amortiguadores, se realizó una prueba de manejo pasando por rampas de 28 centímetros de altura y separadas 1.5 metros, que es la distancia entre ejes del carro, viajando a una velocidad aproximada de 25 km/hr. El viaje total de la suspensión se comprobó que puede ser de 28 centímetros en las llantas delanteras y de 25 en las traseras. En las figuras 4.23 a 4.25 se describe las características de esta prueba. 146

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

a)

b)

Fig. 4.23 Viaje de la suspensión delantera a)vista lateral, b)vista frontal.

En la figura 4.23 se muestra el viaje de la rueda delantera al pasar por una rampa, en la figura a) se ve como la suspensión delantera izquierda, absorbe gran parte del cambio en la superficie del camino, mientras que las demás ruedas permanecen en contacto con el suelo, la figura b) muestra que el carro se mantiene prácticamente horizontal cuando la llanta alcanza la máxima altura.

a)

b)

Fig. 4.24 Viaje de la suspensión delantera y trasera )vista lateral, b)vista frontal.

La figura 4.23 muestra el viaje de las ruedas delantera y trasera, al pasar por las dos rampas, en las figuras a) y b) se ve como la suspensión delantera izquierda y trasera derecha, absorben gran parte del cambio en la superficie del camino, mientras que las demás ruedas permanecen en contacto con el suelo, la figura b) muestra que el carro se mantiene horizontal cuando ambas llantas alcanzan la máxima altura. En la figura a) se observa que el carro se levanta más por la parte trasera que en la delantera, esto es debido a que la suspensión trasera es más rígida que la delantera.

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Capítulo 4 Evaluación de Resultados.

4.6 Sumario. El análisis dinámico computacional es de gran utilidad antes de pasar de la etapa de diseño a la de manufactura, porque se pueden prever muchos detalles que se harían presentes hasta que el prototipo estuviera construido, y que de necesitar cambios, se verían reflejados en costos y tiempo. El análisis dinámico nos da la certeza de que las geometrías diseñadas trabajarán tal como se espera su movimiento. Dentro de la manufactura, se deben cuidar los detalles que marca el diseño, para que las piezas fabricadas no fallen, bajo las condiciones previstas en los cálculos. Un buen diseño puede parecer malo si el prototipo está mal ensamblado, soldado o las refacciones utilizadas no cumplen con las especificaciones con las que se diseño.

4.7 Referencias. 4.1 Plata Contreras Gerardo. Diseño, Análisis y Construcción de un carro SAE Mini Baja, Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN. México, 2003. 4.2 Francisco Rosales Iriarte. Diseño y Análisis de una Transmisión de Velocidad Variable para un Auto SAE Mini Baja. Tesis de Maestría. SEPI-ESIME-IPN. México, 2003 4.3 Ramos Watanave Jorge, Curso de Diseño Mecánico, Volumen I y II, IPN – ESIME – SEPI, México D. F. 2000 4.4 Herb Adams, Chassis Engineering, SAE 400 Commonwealth Drive Warrendale, PA 15096-0001, 4.5 John C. Dixon, Tires, Suspension and Handling, Second Edition, SAE 400 Commonwealth Drive Warrendale, PA 15096-0001, 4.6 José Font Mezquita, Juan F. Dols, Tratado Sobre Automóviles, Universidad Politécnica de Valencia. Alfaomega, 2001. 4.7 Thomas D. Gillespie, Fundamentals of Vehicle Dynamics, Warrendale, PA 15096-0001

SAE 400 Commonwealth Drive

4.8 SSC Education and Training, Basic ADAMS Full Simulation, Training Guide, Release 11.0, 2001

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Conclusiones

Conclusiones Ángulos de dirección Para posicionar los ángulos de dirección y suspensión, como los de caída, avance, inclinación del eje de dirección, radio de pivote e inclinación del perno rey, no existe una medida para cada uno de ellos que suponga ser la mejor. Todos estos ángulos se han ido obteniendo a través de la práctica y de pruebas en diferentes tipos de autos. Los ángulos asignados a la suspensión y dirección en este trabajo se dedujeron de comparar las diferentes opiniones de autores expertos en el tema. El manejo del auto durante pruebas así como en las competencias en que se participó, demostró que los ángulos elegidos trabajan bien, la dirección del carro se mantiene en línea recta cuándo se suelta el volante y la superficie del camino es uniforme. Los ángulos de dirección de este auto se diseñaron para poderse calibrar. Las medidas finales quedaron de la siguiente manera:

Suspensión delantera. Caída.- inclinación paralela a las caras de la rueda, está se puede calibrar desde +10 hasta -10 grados. Se estableció quedar en un ángulo de 2° positivo. Con este ángulo se obtiene que la dirección mantenga la dirección de línea recta. Convergencia.- viraje de las ruedas alrededor de su eje vertical, puede ser calibrado desde –15 hasta +15 grados, sin embargo estos valores no se usan mas allá del rango – 2 a +2 grados. Se estableció quedar en 0 grados para evitar pérdidas de potencia debido a la resistencia opuesta por el arrastre de las llantas. Un ángulo diferente de cero produce el mismo efecto que el ángulo de caída. Inclinación del eje de dirección.- Inclinación alrededor del eje x del carro, de la línea imaginaria que une ambas rótulas del poste de dirección, este ángulo puede ser calibrado a través de las rótulas que unen los brazos a el poste de dirección, su valor puede ir desde +10 hasta 0 grados, con este ángulo se puede variar el radio de pivote. Se estableció un valor de 5 grados positivo para la inclinación del eje de dirección, lo que produjo un radio de pivote de 7 centímetros positivo. Este valor conviene que sea más pequeño, si es cero es mejor, pero debido a la configuración del rim, rótulas y poste de dirección el mejor radio de pivote que se pudo obtener fue el que se especifica. Avance.- este ángulo es fijo, debido a la configuración de las rótulas que unen al poste de dirección y de la fijación de los brazos al chasis. Se estableció un valor de 5° pare este ángulo, pero un ángulo de 8 grados es posible que produzca una dirección de línea recta aun más estable que la que se logro.

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Conclusiones

Radio de pivote.- Esta medida, debe ser lo más cercana a cero, porque de esta forma la llanta solo rota sobre su huella de contacto y solo genera una fuerza de resistencia por deslizamiento de giro. Cuándo el valor del radio de pivote es diferente de cero, la llanta tiene además de un deslizamiento de giro, un deslizamiento de traslación. La presión de inflado de los neumáticos tendrá que ver también con la magnitud de la resistencia por deslizamiento, ya sea de giro o de traslacional también.

Suspensión Trasera. En las ruedas traseras se puede calibrar también la caída y la convergencia de las ruedas. Esta configuración dio buenos resultados ya que se pudo tener la opción de cambiar las llantas traseras. El diseño de la suspensión proporcionó un manejo suave y se pudo conducir el vehículo con seguridad y confort. Cabe mencionar que aunque no se condujo a velocidades por arriba de los 55 km/hr, el comportamiento de la dirección y suspensión fue el que se esperaba. Las fallas que se presentaron fueron por cuestiones de manufactura, especialmente en las soldaduras del brazo de dirección, el cual se rediseño y se fabricó, cuidando los detalles no considerados en el primer diseño. La falla en el primer poste de dirección, se deduce que fue por someter a la pieza a un sobreenfriamiento después de haber soldado, esto fragilizó el material y lo hizo susceptible a la falla.

Rigidez y Amortiguamiento. En cuanto a la rigidez, se puede decir que una suspensión demasiado rígida tendrá frecuencias de oscilación mayores, y por lo tanto requerirá de un coeficiente de amortiguamiento mayor, lo que resulta en una suspensión “dura” y poco confortable. Si la suspensión es demasiado rígida, las fuerzas transmitidas a al conductor, producidas por los impactos del camino, se transmitirán de manera proporcional. ζ La relación de amortiguamiento s para un manejo confortable en carros de lujo está dentro del rango de 0.2 a 0.4 [3.7], para el caso del diseño de esta suspensión resultó de 0.88, debido a que se escogió una rigidez en los resortes de 4 veces el peso nominal en vacío.

Resultados de las carreras a las que se asistió. El trabajo se vio ampliamente favorecido debido a que se fabricó el prototipo y además se pudo asistir a tres carreras en donde se puso a prueba y se pudieron observar varios aspectos que quizá no se contemplaron durante la etapa de diseño y construcción. Uno de esos factores fue las llantas ya que el escoger las adecuadas, determina en cierta medida, la capacidad del carro, para atravesar por caminos de mayor complejidad; unas llantas anchas y altas tendrán un mejor desempeño sobre rocas que unas angostas, aunque tengan la misma altura.

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Conclusiones

Uno de los aspectos que se observó durante las carreras es que los factores del medio ambiente pueden influir bastante en el desempeño del carro, una de las fallas en la segunda carrera fue no proteger adecuadamente los sistemas de deslizamiento y de contacto entre superficies de los sistemas de dirección y suspensión. El problema consistió en que el lodo y polvo contaminaron las superficies de contacto entre piñón y cremallera, así como los bujes de deslizamiento de la misma, provocando que la dirección se tornará muy difícil de girar y por lo tanto, de controlar el carro. Para arreglar este defecto se perdió tiempo de carrera. Para el siguiente evento todas estas partes se protegieron debidamente y el carro no volvió a fallar debido a ello.

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Trabajos a Futuro

Trabajos a Futuro. De acuerdo a la experiencia adquirida en el desarrollo de este trabajo se proponen los siguientes trabajos a futuro:

Diseñar nuevos sistemas de suspensión utilizando barras de torsión para distribuir mejor el peso en las llantas durante los virajes. Proponer un sistema de suspensión utilizando otros tipos de elementos elásticos y de amortiguamiento. Continuar con la participación en las carreras SAE Mini Baja, haciendo modificaciones a todo el vehículo. Hacer simulación en ADAMS sobre un terreno dado y pasar los datos de las fuerzas generadas en un historial de carga a ANSYS para analizar los esfuerzos generados en el chasis. De acuerdo al punto anterior hacer análisis de fatiga. Emplear LS DYNA para realizar análisis de impacto en la suspensión, en el caso de volcadura o choque de las unidades. Realizar el diseño de la suspensión utilizando otro tipo de materiales que reduzcan el peso de toda la masa no suspendida. Realizar un diseño más completo del sistema de dirección, tipo piñón – cremallera.

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ANEXO 1 Cálculo de Cojinetes de Pivotes entre Chasis y Brazos de Suspensión. Los puntos de pivote con el chasis, tanto de la suspensión delantera como trasera se fabricaron de poliamida; una variante del nylon, de la marca Nylamid tipo XL (extra lubricado). Este material tiene una carga de aceite para reducir aún más el coeficiente de fricción y además es de baja absorción de humedad. Su aplicación es especialmente para cojinetes, tiene una capacidad de presión velocidad (PV) de 5.37 Kg/cm2 * m/s. [01] El cálculo para saber si se está, dentro de esta capacidad, se calcula de la siguiente forma: La carga o presión ejercida en cada cojinete es el peso del carro, que será aproximadamente de 250 Kgs. (esta carga considera además del peso del piloto también el de la suspensión, la cual se toma en cuenta aunque no estará soportada por los cojinetes ) repartida entre 12 cojinetes, que son el número de puntos de pivote que tiene la suspensión para unirse al chasis. 250 Kgs./ 12 cojinetes = 21.83 Kgs. por cojinete. Cada cojinete tiene un diámetro interior de ½ pulgada y 2 cms de largo lo que da, un área de contacto de: ½ pulgada = 1.27 cms. 1.27 * π = 3.98 cms 3.98 * 2 = 7.97 cms2 por lo tanto la presión de contacto es de: 21.83 kgs. = 2.73 2 7.97 cm La velocidad tangencial de los puntos de pivote es demasiado baja; la frecuencia de oscilación es máximo de 100 oscilaciones por minuto, convertida a cps, es de 1.66 cps y multiplicada por el radio del buje de 0.00635 metros, nos da una velocidad tangencial de: 0.010541 metros/seg. Al multiplicar por la presión ejercida por el cojinete, da una relación PV de 2.73

kgs. m kg m * 0.0105 = 0.028 2 * . 2 cm seg cm seg.

La relación PV dada por el fabricante, esta muy por debajo de la máxima permitida, lo que asegura un buen desempeño y duración de los mismos.

ANEXO 2 Cálculo de Piñón y Cremallera. Para obtener el cálculo de este sistema, se deben tomar en cuenta las fuerzas a vencer, tales como, la fuerza de fricción entre rueda y pavimento, el radio de pivote, la longitud del brazo de dirección, el rendimiento del mecanismo de piñón y cremallera, y por último, la fuerza tangencial que debe proporcionar el piñón a la cremallera. Se comenzará con calcular el torque necesario para virar las ruedas, para hacer este cálculo se necesita saber el torque que se debe aplicar al poste de dirección. El torque se genera con la fuerza originada por el arrastre de la llanta en el trayecto AC (Fig. A2.1) y la distancia del radio de pivote r (AB), cuyo valor es de 3-5 centímetros (ver anexo 7).

Fig. A2.1 Trayecto de la rueda (AC) en un viraje. La fuerza de resistencia Fr que ofrece la llanta es igual a la normal por el coeficiente de fricción; la normal es igual al peso soportado por la llanta, que es de 65 kg. y el coeficiente de fricción es de 0.75 entre hule y pavimento [A6.1]. Fr = 65 kg. * 0.75 = 48.75 kg. El momento necesario para girar el eje poste de dirección es: Mp= Fr * r M p = (0.035m.)(48.75kg.) Mp = 1.70625 kg*m = 16.73 N .m Como el brazo de dirección R calculado en el capítulo 3 es de 0.142 metros, y de acuerdo a la figura A2.2, la fuerza Fb ejercida en la bielas de dirección será de:

Fig. A2.2 Diagrama de fuerzas en la dirección.

Fb =

Fb =

Mp R cos17.51

16.73N .m = 123.54 N 0.142m(cos17.51)

Sabiendo la fuerza en la biela, se puede ahora saber la fuerza tangencial Ft en la cremallera. Ft = 2Fb Cos 12.49 Ft = 2(123.54 N) Cos 12.49 Ft = 241.23 N La fuerza total de la cremallera es igual a 2Fb, debido a que se debe ejercer una fuerza de empuje hacia un lado y otra de arrastre hacia el otro.

Con la fuerza tangencial se puede ahora calcular el piñón. El método a utilizar para realizarlo, será utilizando la fórmula de Lewis modificada por AGMA (Asociación Americana de Fabricantes de Engranes). [A2.2] Fk σ perm =  t a  kv

 1  k s k m    bm  j

  

donde: σ perm Ft ka kv b m ks km j

= = = = = = = = =

Esfuerzo permisible en la raíz del diente Fuerza tangencial Factor de aplicación Factor de velocidad Ancho de cara Módulo Factor de tamaño Factor de distribución de carga Factor geométrico

Si se utiliza un acero de medio carbono, como un AISI 1045, las propiedades del material son las siguientes: σSY σlimit

= 530 MPa = 630 MPa

donde: σSY σult

= Esfuerzo de fluencia del material = Esfuerzo último del material

los factores se hallan en la tablas para cálculo de engranes [A2.3], cuyos valores, para una cremallera de dirección de auto son: ka kv ks km j

= = = = =

1 1 1 1.3 0.32

el esfuerzo permisible es igual al esfuerzo de fluencia σSY dividido por el factor de seguridad, que se establecerá de 2, se tiene: σperm = (0.5 )530 MPa σperm = 265 MPa

conociendo casi todo los factores de la fórmula de Lewis, a excepción del módulo m, y del ancho de cara b del diente, se despeja el módulo y se hacen iteraciones en función del ancho, para determinar ambos valores, la tabla A2.1 muestra el resultado de las iteraciones. El módulo estará en función del ancho, de la siguiente forma:

m=

(241.23N )(1)(1)(1.3) N    265 (1)(0.32 )b mm 2  

Tabla A2.1 Resultado de las iteraciones entre módulo t ancho de cara de diente. Ancho de cara b en mm. 1 2 5 10 12 14 16 18

Módulo m mm/diente 3.69 1.84 0.7396 0.3698 0.3081 0.2641 0.2340 0.2054

Paso diametral 6.88 14 34 68.68 79.8 96 108 123

Como se puede observar en las iteraciones hechas, el espesor que conviene usar es muy pequeño; entre 1 y 2 milímetros, porque proporciona un paso diametral entre 6.88 y 14, que son los que comúnmente se utilizan para engranes, como el paso que se desea usar es 10, se procede a hacer iteraciones entre 1 y 2 milímetros, dando como resultado un espesor de 1.4 milimetros; dando un módulo de 2.64 y un paso de 9.62, que es casi el que se desea. Se puede concluir que si se utiliza un paso diametral de 10, el ancho de cara de diente es de 1.4 milímetros. Este ancho de cara, en la práctica no es factible, debido al maquinado y ensamble del piñón en el sistema de cremallera, por cuestiones prácticas se escogerá un espesor de engrane de 12.7 milimetros y con un paso diametral de 10. Por lo tanto, el piñón resultante es: Paso diametral Ancho de cara Diámetro de paso Número de dientes Diámetro de barreno Cuñero para cuña de

10 12.7 mm 50.8 mm 20 19 mm 4x4x12.7mm

La cremallera se fabricará con el mismo paso diametral, con un número de dientes de 26, tallados a lo largo de 20 centímetros, sobre la parte media de una barra redonda de ¾ de diámetro, por 500 mm de largo. El material a usar será un acero AISI 1045; similar al del piñón. Si se desea, se puede realizar un tratamiento térmico superficial, para evitar el desgaste por contacto, aquí no se considera, porque el uso de un auto Mini Baja es intermitente y de solo unas cuantas decenas de horas al año.

Cálculo de la cuña para el piñón. La selección del tamaño de la cuña se hará de acuerdo a tablas de fabricantes, se considera una cuña cuadrada de 4x4 mm y de un acero AISI 1018. El cálculo se hará por compresión y por cortante máximo. La figura A2.3 muestra las medidas en consideración.

Fig. A2.3 Características generales de las cuñas

Cortante máximo: τ max =

2T DWL

σ máx =

4T DLH

Esfuerzo de compresión:

donde: L = 0.0127 m (longitud de cuña) Esfuerzo de fluencia (Sy) = 240 MPa. Factor de seguridad (N) = 3 σ perm =

Sy 240 MPa = = 80 MPa N 3

τ perm =

0.5Sy N

τ perm =

0.5(240 MPa) = 40 MPa 3

Esfuerzos de compresión y cortante máximos: H = 0.004 m (altura de cuña) W = 0.004 m (ancho de cuña) D = 0.019 m (diámetro de eje del volante) T = (241.23 N) * (0.0254 m) = 6.12Nm

τ max =

2(6.12 N .m) = 12.68Mpa (0.019m)(0.004m)(0.0127m)

σ máx =

4(6.12 N .m) = 25.36 MPa (0.019m)(0.0127 m)(0.004m)

La cuña que se propone (4x4x12.7 mm, acero AISI 1018) satisface las condiciones de trabajo, porque los esfuerzos máximos que se generan en ella no sobrepasan los esfuerzos permisibles calculados. τ perm > τ max σ perm > σ max El par torsor en el volante será el mismo que en el piñón y la fuerza tangencial que debe ejercer el conductor, será proporcional al diámetro del volante, así para un diámetro de volante de 35 centímetros, la fuerza tangencial ejercida con las dos manos será: 2Ft = T/0.5D

Ft = 6.12Nm/0.35 m Ft = 17.48 N

Referencias. A2.1.- Ferdinand P. Beer, E Russell Johnston, Dinámica, quinta edición, Mc Graw Hill, 1997 A2.2.- Joseph E. Shigley, Charles R. Mischke, Diseño en Ingeniería Mecánica, 5ª edición, Mc Graw Hill, 1994 A2.3.- Eugene A. Avallone, Theodore Baumeister III, Marks, Manual del Ingeniero Mecánico, 9a edición, Mc Graw Hill, 1995

Anexo 3 Dibujos de detalle de Suspensión Trasera Suspensión Trasera. Dibujo de ensamble Brazo Tipo H Brazo Auxiliar Eje y Plato Trasero Masa Trasera

Anexo 4 Dibujos de detalle de Suspensión Delantera Ensamble Suspensión Delantera Brazo Delantero Superior Derecho Brazo Delantero Inferior Derecho Masa Delantera Poste de Dirección

Anexo 5 Ensamble de Suspensión y Dirección. Ensamble del Sistema de Dirección.

ESCALA: UNIDAD: FECHA:

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

DIBUJO:

MATERIAL:

REVISO:

TRATAMIENTO TERMICO:

APROBO:

NOMBRE DE LA PIEZA:

No. DE PIEZA :

No. DE DIBUJO:

APROBO: No. DE PIEZA :

TRATAMIENTO TERMICO: NOMBRE DE LA PIEZA:

FECHA:

DIBUJO: REVISO:

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL MATERIAL:

UNIDAD:

ESCALA:

No. DE DIBUJO:

ESCALA: UNIDAD: FECHA:

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

DIBUJO:

MATERIAL:

REVISO:

TRATAMIENTO TERMICO:

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NOMBRE DE LA PIEZA:

No. DE PIEZA :

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TRATAMIENTO TERMICO: NOMBRE DE LA PIEZA:

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No. DE DIBUJO:

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL MATERIAL:

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TRATAMIENTO TERMICO: NOMBRE DE LA PIEZA:

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL MATERIAL:

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APROBO: No. DE PIEZA :

TRATAMIENTO TERMICO: NOMBRE DE LA PIEZA:

FECHA:

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL MATERIAL:

UNIDAD:

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No. DE DIBUJO:

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TRATAMIENTO TERMICO: NOMBRE DE LA PIEZA:

FECHA:

DIBUJO: REVISO:

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL MATERIAL:

UNIDAD:

ESCALA:

No. DE DIBUJO:

APROBO: No. DE PIEZA :

TRATAMIENTO TERMICO: NOMBRE DE LA PIEZA:

FECHA:

DIBUJO: REVISO:

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL MATERIAL:

UNIDAD:

ESCALA:

No. DE DIBUJO:

Anexo 6 Selección y Montaje de Rodamientos. Ruedas Delanteras. Para la selección de los rodamientos de las ruedas delanteras se hizo con base en las siguientes características que debería reunir: Fácil montaje en el perno de rey Que la pista exterior se pudiese separar de la pista interior Soportar carga axial debido a cargas ocasionadas por los virajes Soportar carga radial ocasionada por el peso del carro y por impactos del camino. Soportar cargas combinadas Girar a velocidades medias (en el rango de 0 a 800 rpm) Exactitud en el montaje Proporcionar alta rigidez No permitir juego en el ensamble La selección de los rozamiento se realizó utilizando la guía electrónica proporcionada para tal efecto, por SKF en la dirección electrónica www.skf.com, y la tabla A6.1 de selección del tipo de rodamientos, los valores proporcionados para la selección fueron los siguientes: Carga estática Carga dinámica Carga máxima a la fatiga Carga axial máxima Coeficiente de fricción estática entre llanta y piso. Factor de rodamiento Factor de aplicación de carga radial alta Factor de temperatura Diámetro de la llanta Velocidad máxima Duración nominal en millones de kilómetros Horas de funcionamiento para servicio corto o intermitente

2943 N 29430 n 2500 N 981 N 2 1.56 3 1 0.553 m. 800 rpm 0.1 4000

La selección del rodamiento de acuerdo a la tabla A6.1 y a la guía de selección de SKF fue un rodamiento de rodillos cónicos con pista exterior separable número LM11749, y debido a la configuración del montaje se eligió uno con dimensiones mayores y de las mismas características que el anterior; el rodamiento resultante fue un LM12746.

Tabla A6.1 Selección de tipo de rodamiento.

Design x x

x

x

x

x

x

x

(x)

x x

x

x

x

a x

x

x

x

x

x

x

tapered bore

x

shields or seals

x

x

x

x

x

x

x

x

self-aligning non-separable

x

x

x

x

x

separable Characteristics

+

+

+

++

-

++

+++

+++ +++ ++

+

+++

+++

+++ ++

+++ --

--

--

+

-

+

+

++

-

-

-

+

--

--

+

++

++

+++ purely axial load

-

-

++

+

purely radial load

+

-

++

++

+

b,c

--

+

a

--

+

--

--

+++ +++ +++ --

--

+

combined load

b

--

-

+

+

--

+

--

+

--

--

--

--

--

--

+

--

--

--

moment load

+a+

++

+++ +

++

+++ +++

-

-

+

+

+

-

+

+

+

-

-

-

high speed

+++

++

+++ ++

+

++

+++

+

+

+

+

+

+

+

++

+

++

++

+

high running accuracy

+

-

+

++

+

++

+++

+++ +++ ++

++

++

++

++

++

+++ +

++

++

high stiffness

+a+

++

++

+

+

++

++

-

-

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

quiet running

+a+

++

++

+

+

++

++

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

-

+

low friction

--

+++

-

--

--

-

--

-

--

--

--

++

++

+++ -

-

--

--

+++ compensation for misalignment in operation

--

++

-

--

--

--

-

--

--

--

--

++

++

+++ -

--

+c+

--

++

compensation for errors of alignment (initial)

++

+

++

++

++

b,c

--

+

a

--

+

--

--

++

++

+++ +

+

++

locating bearing arrangements

+

+

--

+

-

+++ +++

+

+

+++ --

++

++

+

--

+

--

--

--

non-locating bearing arrangements

--

--

--

--

--

+++ +++

+

-

+++ --

++

++

--

--

--

--

--

--

axial displacement possible in bearing

Symbols: +++ excellent ++ good + fair - poor -- unsuitable

Montaje de los rodamientos. Ajuste de rodamientos en disposición espalda con espalda Juego axial, ajuste con tuerca Precauciones Monte el rodamiento en un ambiente limpio. Se deben comprobar los soportes, ejes y otros componentes de la disposición de rodamientos para cerciorarse de que están limpios. Procedimiento de ajuste Los rodamientos de rodillos cónicos deben ser girados cuando están siendo ajustados uno contra el otro, de modo que los rodillos alcancen su posición correcta, i. e. la cara lateral mayor de los rodillos debe estar en contacto con la pestaña guía. De otra forma, el proceso de ajuste será erróneo. Empujar ambas copas dentro del soporte mediante una herramienta adecuada. Respetar la perpendicularidad entre los copas y los alojamientos y asegurar el contacto entre las caras laterales de las copas y los respaldos de los soportes. Cuidar de no dañar los caminos de rodadura.

Introducir el cono interior dentro del eje mediante una herramienta adecuada (e. j. un manguito) No cargar la jaula o el conjunto de rodillos. Si los rodamientos están lubricados con grasa, cubrir el conjunto de rodillos con grasa en este momento.

Completar la disposición del rodamiento poniendo juntos el eje premontado y el soporte.

Ajustar los rodamientos de acuerdo con lo siguiente, con un juego axial como se indica en el plano de montaje.

Si no hay especificación, ajustar el rodamiento con un juego axial de + 0,02 a 0,10 (+0,0008 to +0,004"). Girar el eje varias veces para asegurar que las caras laterales de los rodillos estén en contacto con las pestañas guías. Ajustar la tuerca despacio hasta que la fricción del rodamiento aumente rápidamente. Aflojar de nuevo la tuerca varios grados hasta que sienta otra vez el movimiento libre de la disposición del rodamiento. Asegurar la posición de la tuerca mediante el mecanismo de ajuste adecuado (e. j. una segunda tuerca), en este caso utilizar una tuerca castillo de ½ pulgada (12.7 milímetros) 20 hilos, utilizar chaveta de 1/8 de diámetro.

Ruedas Traseras. Para la selección de los rodamientos de las ruedas traseras se siguió el mismo procedimiento que de las ruedas delanteras, las características que estas deberían reunir son: Fácil montaje en el eje trasero Sellado Soportar carga axial Soportar carga radial. Soportar cargas combinadas Girar a velocidades medias (en el rango de 0 a 800 rpm) Proporcionar alta rigidez No permitir juego en el ensamble. La selección de los rozamiento se realizó utilizando la misma guía electrónica que los delanteros, así como la tabla A6.1, los valores proporcionados para la selección fueron los siguientes: Carga estática Carga dinámica Carga máxima a la fatiga Carga axial máxima Coeficiente de fricción estática entre llanta y piso. Factor de rodamiento Factor de aplicación de carga radial alta Factor de temperatura Diámetro de la llanta Velocidad máxima Duración nominal en millones de kilómetros Horas de funcionamiento para servicio corto o intermitente

2943 N 29430 n 2500 N 981 N 2 1.56 1.5 1 0.584 m. 800 rpm 0.1 4000

La selección del rodamiento de acuerdo a la tabla A6.1 y a la guía de selección de SKF fue un rodamiento sellado de doble hilera de bolas de la serie 3206, el rodamiento final que se utilizó en las ruedas traseras fue un S32066DA marca FAG. Este rodamiento es de capacidad y medidas mayores a las de un 3206, pero debido a que su precio es menor, además de ser más comercial.

Anexo 7 Características Finales de la Suspensión y Dirección. Caída (Camber ) Avance (Caster) Convergencia Angulo de la dirección Radio de pivote Altura al piso . Relación de la dirección. Distancia entre ejes Radio de giro Ancho entre llantas Tipo y medidas de llantas Peso de la suspensión delantera Peso de la suspensión trasera. Tipo, características y medidas de amortiguadores

2° POSITIVO 5° positivo 1° 5° 3.5 cms. 32 cms 0.6:1 posición extremo-extremo de llantas 150 cms, 2.3 metros 120 cms. traseras 130 cms, delanteras Tipo todo terreno sin cámara. 21 x 7 x 10 delanteras y traseras, 23 x 9 x 11 (solo para carrera de Utah.) 36 psi máx 38 Kgs 43 Kgs Marca Gabriel de 34.5 cms de longitud Tipo Resorte integrado al amortiguador K resorte

Tipos de bujes en puntos de pivote Materiales usados en Suspensión

Rótulas

113.18 Kg/cm Del 74.14 kg/cm Tras. factor de Kg ⋅ seg C s = 16.32 amortiguamiento cm Nylon (poliamida) marca NYLAMID XL (extra lubricado) Brazos: tubo ced. 40 de ½” acero 1045 acero 1018 Masas traseras, brazos de dirección, perno de dirección y ejes traseros Suspensión delantera Tipo terminales de dirección, machos Suspensión trasera Tipo esféricas, macho de 12.7 mm

Dirección

Rodamientos

Lubricación en rodamientos delanteros Sujetadores y Tornillos (anillos de retención) Procesos de fabricación

Tipo esferecias, hembra de 12.7 mm y tipo terminales de dirección, hembra Rueda delantera Cónicos de rodillos SKF 11749 y 12749 Rueda trasera Sellados de Doble FAG hilera de bolas. No. S32066DA Grasa Móvil. No. 3 (Uso normal) Grado 5 Soldadura eléctrica, torno, taladro de banco, fresadora, esmeril y ajuste de banco.

Anexo 8 Reconocimiento de participación en la carrera Mini Baja West 2003 Provo Utah, E. U.