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“Diseño del asiento en fibra de carbono del
vehículo Formula SAE-USB. Con un enfoque
metodológico de ingeniería de diseño
industrial”
Diseñador Industrial Juan Carlos Chávez C.
Universidad Simón BolívarLaboratorio de Dinámica de
Maquinas
Caracas-Venezuela
Universidad de Los AndesFacultad de Arquitectura y Diseño
Escuela de Diseño Industrial
Mérida-Venezuela
PROYECTO EN CONJUNTO CON:
Equipo Formula SAE de la Universidad Simón Bolívar
Michigan-USA
2010
Reseña del autor
En el año 2004 ingresa en la Escuela de Diseño Industrial de la FAD de la
Universidad de Los Andes en la ciudad de Mérida, donde realiza dichos estudios.
Durante su formación como futuro profesional del diseño, cursando el tercer año de
la carrera de Diseño Industrial comienza a gestionar proyectos de diseño a las empresas
privadas y al gobierno, en ese mismo tiempo crea la compañía HOLUS, siendo esta una
empresa dedicada al diseño industrial y pequeña fabricación de productos, con apoyo de
varios colegas afines a la carrera.
A finales del 2008 realiza una pasantía de investigación en Barcelona-España. Con
el fin de aprender sobre tecnología automotriz, abriendo su conocimientos al mundo del diseño
sustentable en vehículos ecológicos.
A mediados del 2009 recibe una invitación por parte del Ing. Diseñador Automotriz
Fidias De la Fuente para visitar el complejo ITALDESIGN en Torino, Italia, esta visita marca
profundamente todos los aspectos de su vida.
Luego a su regreso a Venezuela, obtiene la aprobación del Equipo Formula SAE de
la Universidad Simón Bolívar para realizar su proyecto de grado. Convirtiéndose de esta
manera en pionero del diseño industrial en un equipo Formula SAE en Venezuela. Trabajo en
la división de chasis, en donde desarrollo su proyecto especial de grado para culminar su
carrera.
Identificación de los asesores metodológicos (ULA)
Prof. Juan Cristóbal Chávez
PHD. Arq. Heberto Albornoz
Identificación del asesor de diseño (ITALIA)
PHD. Ing. Fidias Manuel De la Fuente
ASESORES
TUTOR
Dis. Ind. Leonardo Aranguren. ULA
Identificación del asesor fabricante
Técnico. Cristian De Jesús
ÁREA TEMÁTICA
Técnico funcional y
diseño industrial aplicado al desarrollo de productos
automotrices.
JUSTIFICACION
El asiento es un elemento fundamental para el desempeño de los pilotos,
es la parte del vehículo que puede permitir al piloto vincularse en forma óptimacon el espacio, con los otros elementos de la cabina y, con el vehículo como un
todo. Esa vinculación va más allá de lo funcional: incluye un aspecto sensorial de
comunicación con el vehículo. Esta comunicación sensorial es importante para
una buena conducción en este tipo de vehículo.
En consecuencia, la función del asiento no es, pues, simplemente el de
contener al piloto. Es la de ubicar al piloto en la cabina del vehículo, de tal forma
que esté en una relación de confort con los otros elementos de la cabina.
En resumen, para el equipo, para el vehículo y, especialmente para lospilotos, es importante que los aspectos funcionales, productivos, ergonómicos y
estéticos estén presentes en cada uno de los elementos del asiento. Desde luego,
este aporte fundamental lo puede proporcionar el Diseño Industrial.
SITUACIÓN PROBLEMÁTICA
Se observa que el asiento no
es simétrico en el ancho de la
cintura y hombros
45°
se observa cómo la barbilla del casco del
piloto pega contra su pecho. Esto se debe
a una posición inadecuada del piloto
como consecuencia de la inclinación del
asiento.
SITUACIÓN PROBLEMÁTICA
A consecuencia de la inclinación del asiento
la posición del piloto este tenga que estirar
los brazos hacia el volante, provocando
cansancio en la zona de los hombros
Actualmente este cinturón bordea
toda la zona inguinal del piloto (ver
línea roja) Según la normativa, el
cinturón inguinal debe de ir paralelo
al pecho del piloto (ver línea inclinada amarilla)
SITUACIÓN PROBLEMÁTICA
Los puntos de anclajes no son los óptimos ya que sobresalen del asiento,
provocando lesiones corporales en los pilotos. Para solucionar este problema
se usan parches para evitar daños físicos
SITUACIÓN PROBLEMÁTICA
A nivel técnico, los laterales del
asiento (por donde se introducen los
cinturones) han presentado
problemas de fatiga en el material.
Esto también se debe a la falta de medidas no ajustadas.
Por otra parte, el asiento no posee ningún
tipo de recubrimiento antifricción,
provocando el desplazamiento de los
pilotos en el asiento. A nivel formal, el
apoya cabeza no posee una correspondencia con el diseño del asiento
SITUACIÓN PROBLEMÁTICA
El apoyacabeza posee una
estructura metálica el cual se puede
observar el uso exagerado de
materiales, en peso esto sería unos
400gr de material para fabricar la estructura solo del apoya cabezas.
La barra lateral de protección
golpea los hombros de los pilotos,
hasta el punto de incomodar la
conducción tanto en las prácticas
como en las competencias
SOBRE EL FORMULA SAE
El vehículo formula SAE de la USB es producido por el Laboratorio de
Dinámica de Máquinas, el cual está adscrito al Laboratorio A de la Unidad de
Laboratorios, dependencia académica que agrupa a los Laboratorios de
la Universidad Simón Bolívar.
La Formula SAE es una competencia de diseño para estudiantes,
organizado por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) también
conocido como SAE International. El concurso se inicio en 1978.
El concepto detrás de la Fórmula SAE es que una compañía ficticiadonde se ha contratado un equipo de estudiantes de Ingeniería y diseño para
desarrollar un Formula de carreras. El prototipo del vehículo de carrera va a
ser evaluada por su potencial como un elemento de producción. El grupo de
marketing desarrolla estrategias de ventas y mercado, los piloto son los
mismos universitarios y las diferentes divisiones diseñan, desarrollan yproducen cada parte del vehículo. Cada uno de los diseños del equipo se
construye y prueba en un prototipo basado en una serie de normas, cuyo
propósito es garantizar tanto la seguridad en pista y la promoción de la
solución de problemas inteligentes.
Inicio de la FORMULA S.A.E
Inicia en 1979 en la Universidad de Houston-USA
Miembros del equipo Formula SAE de la universidad simón bolívar
El Equipo F-SAE USB es una agrupación que está conformado por estudiantes de
diversas carreras. Su inicios data del 2001
Carreras involucradas Cantidad Universidad
Pre-grado
Ing. Mecánicos 16 USB
Ing. De materiales 2 USB
Ing. Electricistas 2 USB
Ing. Electrónicos 2 USB
Ing. Computación 3 USB
Ing. Producción 3 USB
Ing. Químicos 1 USB
Matemáticos 1 USB
Físicos 1 USB
Diseñadores Industriales
1 ULA
Post-grado
Ing. Mecánicos 2 USB
TOTAL MIEMBROS: 34
MARCO TEORICO
Vehículos monoplazas
Los monoplazas son vehículos diseñados especialmente para
competición. Llevan alerones y neumáticos anchos para adherirse al piso lo más
posible, y las ruedas no están por lo general cubiertas. Son vehículos muy
bajos, pues rondan el metro de altura, y hay solamente lugar para una persona,
de ahí el nombre monoplaza. (Prototipo internacional 2009 del equipo FormulaSAE de la USB)
MARCO TEORICO
Sobre el asiento (butaca) de un Formula SAE
El asiento cumple una función muy importante en todo el vehículo.
El asiento F-SAE tiene que ayudarle a percibir al piloto lo que el vehículo“siente” en una pista de competencias. un asiento formula tiene que transmitir
todas las sensaciones posibles al piloto con un mínimo de confort.
Si el piloto está perturbado por problemas físicos causados por el asiento, el
piloto no va a concentrarse y no va a poder rendir.
El problema ergonómico es necesario superarlo en el asiento porque
precisamente quien funge de piloto no es un profesional, y en estas carreras la
concentración es fundamental.
PHD. Diseñador de Autos. De la Fuente
MARCO TEORICO
NORMAS FORMULA SAE 2010
La norma que rige el diseño del asiento se homologa en la B3.9.4, a partir de
estar norma se procede a establecer todos los parámetros del interior y de diseño
inexistentes en los asientos de la USB.
PARTE B - Requisitos técnicos
B3.9.4 Considerar el percentil 95
americano masculina para la
fabricación de las plantillas que
se usaran para la prueba de la
cabina.
B3.9.3 una vez sentado el piloto hay una
norma de restricción con respecto a la
separación del casco con el piso en caso
de vuelco.
EN EL CONTEXTO Y ENTORNO
Las competencias de la F-SAE U.S.A se realizan en el circuito de
Michigan en su área central.
Circuito Michigan Int'l Speedway 2.0 Millas Interior de la cabina sin
el asiento del
FSAE-USB 2009
Se realizaron entrevistas a los pilotos y fabricantes
Usuarios de primer orden
•Usuario Piloto
•Usuario fabricante y de ensamblaje
Usuario de segundo orden•Usuario de mantenimiento
•Usuarios de almacenamiento y traslado
•Usuario patrocinantes
CLASIFICACION DE USUARIOS PARA EL PROYECTO
Investigación del usuario por entrevistas
Equipos industriales para el soporte del proyecto en Venezuela
Componente Formato Proveedor Costo Bs.F Descripción
Fibra de
carbono
1,50 x 45
mts.
Fibreglast
(USA)
6,190 P/R
Sin costo envió
Tejido configurado de
fibra de carbono
Resina
epóxica1 Litro EPA 40 Bs.F
Polímero termoestable
que se endurece
cuando se mezcla con
un agente catalizador
Equipo CNC de 5 ejes usado por
DEXTACA C.A para fabricar los moldes
SECTOR INDUSTRIAL Y TECNOLOGICO
Descripción de los proceso de fabricación por preimpregnados
ANALISIS Y CLASIFICACION DE LOS ELEMENTOS DEL ASIENTOS
ANÁLISIS DEL ASIENTO ANÁLISIS DEL APOYACABEZAS
Principal
Main Hoop
Esqueleto de foamy en el respaldo y sentadera
Para permitir el momento de inercia
ABERTURAS Y PASO DE LOS CINTURONES DE SEGURIDAD POR EL ASIENTO Y LUGAR DE LOS ANCLAJES
1. Cinturones superiores
2. Cinturones laterales
3. Cinturón inguinal
PROCESO ANALÍTICO DE JERARQUÍA (Tomas de decisiones en la ingeniería de diseño)
Es una herramienta que permite la toma de decisiones de cualquier
índole. La toma de decisión como tal es un proceso de selección entre una
diversidad de acciones, para la cual se toma una serie de criterios que permiten
alcanzar los objetivos establecidos. La primera etapa consiste en la definición
del problema, la segunda etapa en identificación de las alternativas, la terceracon la determinación de los criterios, la cuarta para evaluar las alternativas y la
quinta elegir la opción adecuada.
Tablas de evaluaciones para comparar los criterios y especificaciones
seleccionados por orden de importancia. (Total tablas: 146)
Resultados de la evaluación de acuerdo con el P.A.J
Árbol de criterios FUNCIONALES
Resultados de la evaluación de acuerdo con el P.A.J
Árbol de criterios ERGONOMICOS
Resultados de la evaluación de acuerdo con el P.A.J
Árbol de criterios TECNICOS-PRODUCTIVOS
Resultados de la evaluación de acuerdo con el P.A.J
Árbol de criterios FORMALES
Resultados de los antecedentes de acuerdo con el P.A.J
De acuerdo a la grafica se puede observar la deficiencia en los aspectos ergonómicos y funcionales de los asientos evaluados . Con la nueva propuesta se puede observar el alto nivel de solución del problema
REQUERIMIENTOS DE DISEÑO
CONCEPTO DE PRODUCTO
Para que las cualidades del producto se cumplan equilibradamente en el diseño se utilizara un instrumento evaluador, en este caso la triada o pirámide de Vitrubio adaptada y
jerarquizada de acuerdo a los criterios principales del diseño industrial.
CONCEPTO DE DISEÑO
Instrumentos metodológicos utilizados para desarrollar el concepto del diseño
Para conocer los instrumentos metodológicos que se van aplicar y seleccionar setoma como guía el trabajo de ascenso del profesor Nelson Ramírez, de la Facultad deArquitectura ULA que se titula (EL CONCEPTO ARQUITECTÓNICO: Su naturaleza yenseñanza. 1987)
“Todo hecho […] debe resultar de una conceptualización inicial; la creación de unconcepto […] sin duda, representa la parte “artística por excelencia” de la planeación, elmomento donde coincide una gran síntesis de información, creatividad e intuicióninconmensurable, que sin embargo, necesita ser comunicado en términosmesurables”.
Nelson Ramírez Brandt
El concepto de diseño se utilizara una estrategia de diseño o composiciónpara resolver el problema, se analizaran varias estrategias de composición del objeto,ya que hay muchos elementos que estudiar a la vez, y se seleccionara el instrumentomás englobante que dé respuesta a las diferentes variables, respondiendoeficientemente en cada área.
INSTRUMENTOS DEFINICIONES Y APLICACIONES
Sobre valoración intrínseca
Ocurre cuando la variable o componente sobrevalorado, destaca por sí mismo su
relevancia dentro del problema de diseño. (En el caso del proyecto FSAE: considerar
lo funcional como el componente sobre valorado sin tomar en consideración los
criterios ergonómicos, tecnológicos y formales)
Oportunidad de diseño
Una “Oportunidad de diseño”, puede definirse como: un hecho físico, natural o
construido en el contexto o entorno sobre el que se diseña el elemento, aprovechando
como “excusa” o “pretexto”, para concebir la totalidad del producto. (En el caso del
proyecto FSAE: tomar el espacio reducido de la Cabina como una oportunidad de
diseño).
Las analogías
Relación de semejanza entre cosas distintas. Partiendo de esta definición, una analogía
de diseño, seria, la relación de semejanza entre el hecho de diseño y un objeto, animal,
o acción, ajenos a este. Sin embargo, la “relación de semejanza”, es insuficiente; más
bien, al hablar de la analogía como fuente catalizadora, debemos definir como: La
relación cualitativa de coherencia asociativa, entre el problema de diseño, y el elemento
u objeto ajeno escogido. (Ejemplo: la carrocería se diseño con la analogía del tiburón,
la forma puntiaguda como el casco aerodinámico y las branquias como los conductos
de refrigeración, para el caso del asiento la relación analógica seria otra siempre que la
relación cualitativa cumpla con todos los criterios).
Aceptación tipológica
Si partimos de la definición de “tipo” como: “una categoría abstracta, en tanto que
sintetiza todas las características comunes de los modelos” (Edwards. B, s/f), podemos
hablar de una aceptación tipológica como fuente catalizadora, solo en tanto el
diseñador lleve a cabo de manera consciente, un estudio previo de modelos, cuyo TIPO
(categoría abstracta), se convierta en una aparente garantía del resultado de diseño
deseado. En este momento, las expresiones “Tipo” y “Concepto de diseño”, coinciden,
se hacen sinónimos, ya que ambos, siendo abstractos, expresan la esencia “Idea
básica”, holística y sintética del problema.
Tabla de los instrumentos
CONCEPTO DE DISEÑO
Aceptación tipológica
La aceptación tipológica es el instrumento utilizado para desarrollar el concepto de diseño
(La sumatoria de las cualidades ideales de los criterios). De esta forma sintetizamos todas las
características comunes de los criterios ya antes investigados en orden de jerarquía Funcional,
Ergonómico, Tecnológicos-Productivos y Formales.
Síntesis del concepto de diseño
Luego de analizar y proporcionar las respuestas con los principios que más optimiza, se sintetiza
en un ideal el concepto del diseño, y se define como una:
“Hemicápsula estructural de confort y seguridad para pilotos del vehículo Formula SAE”
PROPUESTA CONCEPTUAL FINAL
Se aplico sobre el asiento una fuerza equivalente a 150 kg (1500N) fuerza
máxima a la que estaría sometido el asiento cuando el auto esta en movimiento.
Conclusión
Como muestra la imagen (Deformación máxima) la parte inferior del asiento
(sentadera) es donde se encuentra la mayor concentración de esfuerzos debido a
fallas de diseño,
ANALISIS BASE DE LA SENTADERA
PROPUESTA PARA BASE ANCLAJE
MEMORIA DESCRIPTIVA DE LA PROPUESTA
•Sentadera
•Lateral sentadera
•Lateral respaldo
•Respaldo
•Apoyacabeza
Sentadera: está conformado de tal
manera que posea lectura de seguridad y
confort al piloto, se establece una jerarquía
entre las demás zonas, la relación formal
permite unirse con el resto de todos loselementos. A su vez posee una abertura
para el paso del cinturón inguinal.
Consideraciones Formales
Laterales: Estas proporcionan un cierre en
forma de capsula donde delimitan las zonas
de apoyo y contacto con el cuerpo del
piloto, de esta forma los indicadores
comunicacionales ofrecen continuidad yseguridad en todo el elemento. A su vez en
las solapas inferiores posee unas aberturas
para el paso del cinturón.
Respaldo: posee una lectura de apoyo yseguridad al piloto, a nivel de la jerarquía
la forma posee un indicador de uso para el
piloto. Este en la parte superior posee
aberturas para el paso del cinturón.
NOTA: Sobre los rellenos en la zona de la
espalda leer consideraciones ergonómicas.
Apoyacabeza: Esta ubicado en la parte
superior del asiento formado un solo
elemento, su forma cóncava indica el apoyo
del casco del piloto.
Consideraciones Ergonómicas
Respaldo: Para este caso se incorporaron
elevar los niveles de adherencia y de
confort en todas las zonas de contacto del
cuerpo del piloto. Para esto el piloto
necesita apoyar la espalda totalmente enel asiento, de esta forma sigue la curva
natural de esta por medio de un relleno de
poliuretano en la zona lumbar, laterales
y hombros, de tal forma se evitan
tensiones por los niveles de vibración,gravedad y aceleraciones continuas.
Posee una inclinación de 30°
sobre la vertical permitiendo
que se distribuyan las fuerzas
en todo el cuerpo del piloto
De esta forma se logra que la
distancia y ángulos hasta el
volante y los pedales sean las
más adecuadas, tomando en
cuenta el percentil 95°americano masculino.
Sentadera: el grado de inclinación es de
25° sobre la horizontal para reducir el
deslizamiento hacia bajo de la sentadera
por desaceleración, las solapas laterales le
permite mantener encapsulado al piloto encurvas permaneciendo en todo momento
el cuerpo dentro del asiento.
Abertura pasó cinturones: Ubicadas en
los costados del asiento repartido
estratégicamente en 5 puntos permitiendo
el libre paso de los cinturones de seguridad
para sujetar al máximo el piloto al asiento.
Consideraciones tecnológico-productivas
Se utilizo para la fabricación del asiento en su totalidad la fibra de
carbono, debido a sus propiedades, entre las cuales se encuentra: alta
resistencia a los esfuerzo y bajo peso.
El asiento cuenta con un núcleo de foamy (EVA) desde la cabecera bajando
por la espalda-hombros hasta la sentadera, con esto se pretende simular los
paneles sándwich, facilitando el momento de inercia.
Análisis estático del asiento
Se aplico sobre el asiento una fuerza equivalente a 160 kg (1600N)* fuerza
máxima aproximada a la que estaría sometido el asiento cuando el auto esta
en movimiento. Obteniendo así un coeficiente de seguridad de 5.96. Esto
quiere decir, que el asiento soportaría 5.96 veces el peso para el que fue
diseñado (160 kg x5.96) 953 kg
Análisis dinámico del asiento
Se aplico sobre el asiento una
fuerza equivalente a 160 kg
(1600N) entre 0-200 veces
simulando el esfuerzo al que
estaría sometido el asientocuando el auto esta en
movimiento
Como muestra la imagen del análisis en los laterales tanto inferiores como
superiores es donde se observa la mayor concentración de esfuerzos debido
a que estas cumplen la función de mantener al piloto dentro del asiento,
absorbiendo la mayoría de los esfuerzos (virajes y aceleraciones)
VALIDACIONES ERGONÓMICAS
Análisis de las plantillas de
seguridad de acuerdo a la norma
F-SAE B3.9.5 con la propuesta
del asiento a 30° grado sobre la
vertical
El cuerpo del piloto reposado sobre
un espaldar a 30° sobre la vertical
líneas color naranja (Figura 32).
Esta inclinación le permite que se
distribuyan las fuerzas en todo el cuerpo del piloto, disminuyendo
significantemente la fatiga y el
cansancio.
VALIDACIONES ERGONÓMICAS Para un correcto ajuste y funcionamientodel cinturón lateral se direcciona con unainclinación de 25° sobre la vertical endirección de las piernas del piloto, deesta manera, se busca llegar al vientre delpiloto, ya que es una de las Normas de laF-SAE, considerando el percentil 95americano del piloto. Considerándoseuna distancia del anclaje del cinturón alPrincipal Main Hoop de 650mm
Se puede observar las dimensiones del (Percy) de acuerdo a las medidas del percentil 95 americano dentro del cabina –contorno rojo- del F-SAE de la USB ninguna parte del cuerpo está en contacto con la carrocería, sino más bien este se encuentra encapsulado en el asiento.
PLANOS GENERAL tomado del 1/6
PRESENTACION DEL PRODUCTO
FABRICACION DEL MODELO CONCEPTUAL FUNCIONAL
FABRICACION MODELO CONCEPTUAL FUNCIONAL
GRACIAS
Mención honorifica publicación con aporte especial en metodología de diseño