I UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

Modelacin y construccin de un vehculo todo terreno

Gustavo Andrs Hernndez Osorio 2004

II UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE C HILE FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

Modelacin y construccin de un vehculo todo terreno

Trabajo de titulacin presentado en conformidad a los requisitos para obtener el Titulo de Ingeniero Civil en Mecnica

Profesor Gua: Sr. Ramn Francisco Hernndez Pavez.

Gustavo Andrs Hernndez Osorio 2004

III

Resumen

El propsito de este trabajo de titulacin fue modelar y construir un vehculo todo terreno, capaz de transitar por terrenos fuera de carretera, subir pendientes elevadas , lograr aceleraciones significativas y utilizar materiales en desuso. Una vez construido el vehculo , se logr verificar que ste pudo subir pendientes de 30 y alcanzar velocidades de 50 km/h, en 17 segundos, en pista plana.

Para apoyar su modelacin se utilizaron herramientas computacionales (software) como son el Solid Edge, Algor, Mathcad, y Microsoft Project, buscando construir un vehculo con las caractersticas indicadas y con la mxima seguridad para su piloto.

El vehculo construido se clasifica como un todo terreno , con chasis de acero y motor de combustin interna de cuatro tiempos. Los clculos tericos se realizaron computacionalmente con el software Mathcad y Algor. Los factores de seguridad determinados fueron aceptables para este tipo de vehculo y se encontr una coincidencia en un noventa y cinco por ciento entre los valores tericos y los entregados por el Algor para una de las piezas crticas. Finalizada esta etapa de clculos y modelacin, se procedi a la construccin del vehculo mismo, que fue sometido a diferentes pruebas, comprobndose, en general, que ste cumpla con las caractersticas planteadas en los objetivos.

Finalmente, se realiz un anlisis de costos que permiti confirmar el objetivo planteado de construir un vehculo todo terreno a un bajo costo, utilizando materiales en desuso.

IV

INDICE Pag. CAPTULO 1 INTRODUCCIN . 1.1.- Antecedentes generales. 1.2.- Motivacin .. 1.3.- Objetivos . CAPTULO 2 SELECCIN DEL MODELO DE VEHCULO 2.1.- Bsqueda de informacin .. 2.2.- Informacin necesaria para la modelacin....................................... 2.3.-Seleccin del modelo a construir y anlisis de piezas. 2.4.- Caractersticas Generales .. CAPTULO 3 ANLISIS COMPUTACIONAL DEL MODELO .. 3.1.-Uso de programas computacionales para el diseo 3.2.-Solid Edge V10 3.3.-Modelacin de partes y desarrollo de piezas en ambiente tridimensional.... 3.4.-Ensamblaje del vehculo en Solid Edge V10 . 3.5.-Simulacin virtual del vehculo en Solid Edge V10 CAPTULO 4 CONSTRUCCIN . 4.1.-Crnica de la construccin . 4.2.- Fotos de la construccin. CAPTULO 5 ANLISIS DE COSTOS .. CAPTULO 6 CONSIDERACIONES GENERALES Y CONCLUSIONES. BIBLIOGRAF A... 1 1 3 4 5 5 6 6 29 32 32 33 34 34 41 44 44 47 57 60 62

V

APNDICES Pag. APNDICE A.................................................................................... ............. Determinacin de piezas criticas Anlisis de diagramas de cuerpo libre aplicados al vehculo, en situaciones lmites (fuerzas de impacto) Verificacin del factor de seguridad n para cada pieza critica Clculos realizados manual y computacionalmente 87 65

APNDICE B Descripcin del funcionamiento de mecanismos involucrados Carburador de vaco constante Bomba de aceite y vlvula de descarga El motor de arranque Bomba de agua El rel de arranque El embrague

APNDICE C Relacin final de transmisin

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APNDICE D 100 Monoshock y Precarga del muelle

APNDICE E 101 Planos de diseo

APNDICE F 108 Funcionamiento del frenado

APNDICE G 111 Dimencionamiento del motor y ecuaciones especiales para la potencia

1 CAPTULO 1 INTRODUCCIN 1.1.- Antecedentes generales

Terminada

la segunda guerra Mundial, los jeeps y el Volkswagen (VW)

modelo escarabajo se hicieron muy populares. Paralelamente, se inici la prctica del surf y de otras actividades en la playa. Fue entonces cuando, en la playa de Pismo, se hizo conocido el primero de los vehculos de uso civil apto para transitar por la arena. Los primeros vehculos estaban accionados por motores V8, eran poco maniobrables y pesados; as que Bruce Meyers (Hermanos Meyers) dise una versin ligera que sera la diversin en la playa y en todo terreno (ref. 9). Despus de modificar un furgn Kombi, sin buenos resultados, Bruce utiliz su habilidad para disear la primera carrocera de fibra de vidrio para un Buggy.

Hermanos Meyers Los primeros 12 Buggies producidos eran cuerpos monocasco, que tenan su propio marco integral equipado con motor de un VW. Estos coches eran de alto costo y difciles de producir. Es as que Bruce redise el cuerpo para que calzase en un chasis escarabajo VW.

2

El Meyers Manx El Meyers Manx que fue el nombre del modelo rediseado fue muy popular por su capacidad de saltar y sortear dunas. Bruce intent patentar su adaptacin, pero no pudo convencer a las entidades encargadas de otorgar patentes comerciales de que l pudiese fabricar algo digno de una patente. El Meyers Manx se manejaba y comportaba mejor que cualquier otro vehculo y era mucho ms divertido de conducir; en comparacin con los que fabricaba la marca Jeep, en lo que a vehculos todo terreno se refiere. Mas tarde, algunos vehculos con caractersticas similares al Meyers Manx fueron producidos en serie por distintas empresas para usos especficos, como los vehculos para los salvavidas y guardabosques del condado de Los ngeles.

Dentro de esta gran diversidad de razas nace el concepto de vehculo todo terreno, bajo cuyo alero se encuentran las motocicletas, motos de 4 ruedas o quads y los buggies.

3 Todos estos vehculos son de un elevado costo, factor muy importante en su construccin y fuera del alcance de estudiantes y personas de clase media. Por tal motivo, el autor ha tenido presente la disponibilidad de materiales en desuso o reciclables, de bajo costo para la construccin de un vehculo del tipo todo terreno, contribuyendo adems con esto a cuidar el medio ambiente. Se considera, en su desarrollo, no slo condiciones de seguridad, sino

tambin la comodidad para el conductor, tomando en cuenta siempre los aspectos ergonomtricos que faciliten su conduccin. En la construccin y verificacin del comportamiento de un vehculo todo terreno, se utilizarn los conocimientos adquiridos durante el desarrollo de la carrera de Ingeniera Civil Mecnica y se ocuparn las herramientas computacionales que existen actualmente, que permiten a un profesional desarrollar piezas y partes, incluyendo la facilidad de comprobar su comportamiento cintico y la capacidad del conjunto para una condicin crtica de funcionamiento. Con este proyecto se intenta construir un vehculo monoplaza con jaula anti volcamiento que proteja la integridad fsica del conductor y que pueda transitar por terrenos abiertos con facilidad.

1.2.- Motivacin

Este proyecto nace del inters personal del autor por investigar y desarrollar temas relacionados con el mundo de la mecnica automotriz, vinculados a la prctica de deportes al aire libre. La idea de construir un vehculo todo terreno tipo buggy y probar su funcionamiento, es un desafo que motiv al autor a plantear y desarrollar este tema como trabajo de titulacin. Por otra parte, es necesario mencionar que este tipo de vehculos escasamente se encuentra n disponible s en el mercado nacional, siendo necesario importarlo a un alto costo para el interesado.

4 Luego de realizada la experiencia y si sta resulta exitosa desde el punto de vista tcnico, se podr evaluar la factibilidad tcnica y econmica de fabricarlos en serie, con el fin de introducirlos al mercado nacional.

1.3.- OBJETIVOS Objetivo General

Determinar un modelo, calcular y verificar piezas crticas empleando software de ltima generacin y, realizar la construccin de un vehculo todo terreno, utilizando herramientas manuales para su construccin.

Objetivos Especficos

Buscar informacin sobre los componentes principales de los vehculos todo terreno tanto en Internet como en el material bibliogrfico de la Universidad.

Seleccionar las herramientas computacionales apropiadas para el clculo y modelacin y aprender s u manejo.

Seleccionar piezas y partes reciclables.

Seleccionar y conseguir las herramientas para su construccin.

Construir y probar las condiciones de maniobra del vehculo construido.

5 CAPTULO 2 SELECCION DEL MODELO DE VEHCULO 2.1.- Bsqueda de informacin bibliogrfica y en Internet

La informacin acerca de este tipo de vehculo tradicionalmente no ha estado disponible en libros o revistas especializadas. La bsqueda en Internet fue clave ya que no existen documentos ni artculos en revistas especializadas relacionadas con el tema.

Con el objeto de suplir la insuficiencia de informacin, el autor se preocup de participar en Foros Internacionales de constructores de vehculos en Internet (ref.9), como asimismo mantener contacto con ingenieros australianos, va e-mail. En consideracin a que su diseo es muy particular, por las caractersticas que se describen mas adelante, solo se encontr bibliografa relacionada con el diseo de vehculos de mayor tamao. Sin embargo, dentro de la literatura tcnica aplicable al proyecto , se cuenta con manuales de ingeniera mecnica y libros de diseo de elementos y mquinas, disponibles en las bibliotecas de la universidad (ref.2, 3). De ellos se obtienen los antecedentes y criterios para verificar el modelo seleccionado; que luego son aplicados para determinar, por ejemplo, el grado de seguridad del vehculo construido.

Asimismo, se utiliz como referencia algunos tpicos de la memoria Generacin conceptual y analtica de la suspensin de un vehculo de competicin del Ingeniero de Ejecucin Mecnico Sr. Rodrigo Stange (ref. 4).

6 2.2.- Informacin necesaria para la modelacin y construccin Principios generales

El vehculo a construir, del tipo buggy debe contar con caractersticas, que en este caso y en general, deben compatibilizarse con el objetivo general que se ha planteado. Estas caractersticas se pueden resumir en el siguiente esquema:

Seguridad

Diseo

Durabilidad (Vida til)

Bajo Costo

La seguridad tiene relacin con diversos factores. A continuacin se har una breve descripcin de las distintas relaciones que se deben tener presentes en la construccin del vehculo.

2.2.1.- Seguridad a) Seguridad del conductor

La seguridad en un todo terreno consiste en proteger al piloto ante situaciones riesgosas o accidentes. Primero se debe tener presente los puntos dbiles fisiolgicos bsicos y crticos del cuerpo humano. Ellos son mostrados en la fig 1.1, siguiente.

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fig 1.1 Las lesiones ocurren porque el cuerpo recibe aceleraciones o

desaceleraciones ms all del nivel de g (donde g representa la aceleracin de gravedad) que puede soportar. El cerebro es particularmente susceptible a lesiones, porque es una masa suave de tejido fino almacenada dentro del crneo.

La clave para impedir lesiones en el cerebro es evitar las bruscas aceleraciones y desaceleraciones instantneas que pudieran afectar la masa enceflica.

El cuello y las lesiones espinales tambin presentan una amenaza seria a la vida. Estos elementos son del tipo "conectador" en el cuerpo humano, son flexibles y pueden sostener enormes aceleraciones y desaceleraciones de entre 7 a 10 g (ref.11) antes de romperse; sin embargo, dependiendo del ngulo del impacto, ellas pueden romperse frgilmente, y por lo tanto deben ser protegidas.

8 b) Seguridad en la Ingeniera

La seguridad en el vehculo, mismo, consiste en modelar el chasis de tal forma que la carrocera proporcione la mxima proteccin al piloto y ergonoma con los mandos.

fig 1.2 Primero, el conductor necesita estar bien apoyado, permitiendo que el

movimiento al conducir, le represente estar siempre confortable. Esto puede estar representado por un asiento con soporte lateral, la existencia de una cabecera y cinturones adecuados.

fig 1.3 Posicin optima de manejo (ref.10)

9 En segundo lugar, el chasis del coche necesita sostener el asiento y al conductor, en todas las situaciones; es decir, tanto en el conducir normal como al estrellarse. Esto, por supuesto, se logra con un montaje adecuado del asiento en el chasis, y la disponibilidad de un arns de 5 o 6 puntos.

fig 1.4 Posicin optima de manejo En tercer lugar, el piloto debe vestir un traje con protecciones, guantes y casco para evitar lesiones en caso de accidentes. Finalmente, el coche necesita absorber la energa plsticamente a travs de las piezas mostradas en color amarillo (fig 1.2), que son construidas para estos propsitos en fibra de vidrio, que sin ser ste el material ms adecuado para ello, se ha incluido en la modelacin en consideracin de su bajo costo, en comparacin con otros materiales moldeables. Asimismo, otros aspectos importantes a considerar en la seleccin del modelo a construir lo constituye la ergonoma y la visibilidad.

10 c) Ergonoma y seguridad

La ergonoma, o el estudio de la interconexin humano-mquina debe ser evaluada en su construccin. Para tal efecto, se consider la informacin obtenida en la (ref:10) en donde se seala un ngulo de flexin de las piernas en posicin de manejo de 120 grados y para la extensin de los bra zos un ngulo de 90 grados, lo que se logra con un correcto posicionamiento de la butaca. Por otra parte, los controles mal ubicados puede significar que el conductor pierda la concentracin y con esto el control del vehculo. As, por ejemplo, se debe tener presente que el volante de manejo es una herramienta que sirve tanto para modificar la direccin como de apoyo.

d.- Factores Visuales y seguridad

La lnea de la vista del conductor, en lo que se refiere a la visibilidad, es importante. Debe asegurarse un frente visible con amplios ngulos de visin a la izquierda y a la derecha. Las visibilidades laterales y frontales debieran ser totales, siendo impedidas solamente por los tubos frontales de la jaula.

fig 1.5 En relacin al diseo se deben tener presentes consideraciones dinmicas y geomtricas.

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2.2.2.- Consideraciones dinmicas y geomtricas a) Subvirancia sobrevirancia Cabe sealar que un aspecto muy importante en el comportamiento dinmico del chasis est definido por la posicin de las principales masas dentro de ste, tales como el motor, el estanque de bencina, el piloto, etc.

Hay dos aspectos principales a analizar. Por un lado, es conveniente que la mayora de las masas estn lo ms cerca del suelo, ya que as se disminuye la altura del centro de masa del vehculo, lo cual, impacta positivamente en el comportamiento en curva, frenado y aceleracin, pues disminuye el torque que produce el balanceo o cabeceo (inclinaciones longitudinales o transversales, segn sea el caso), lo que permite utilizar un resorte de menor constante elstica para una misma magnitud de recorrido de la suspensin. Por otra parte, es conveniente que las principales masas estn agrupadas muy cerca del centro de masa del vehculo, observndolo desde arriba. Esta configuracin del vehculo permitir tener un menor momento polar de inercia de masa, lo cual har que ste se resista menos a los cambios de direccin respecto del avance longitudinal; es decir, se minimizarn los efectos inerciales rotacionales debido a las principales masas, al tomar una curva a gran velocidad.

A partir de este concepto, nacen los fenmenos de subvirancia y sobrevirancia. La subvirancia se produce cuando el vehculo describe una trayectoria de curva mayor que el deseado por el piloto, esto es debido a la prdida de adherencia en el eje delantero, con lo que el vehculo tiende a seguir derecho en lugar de doblar.

Por lo contrario, la sobrevirancia se presenta cuando el vehculo describe una trayectoria de curva menor que la que el piloto deseara, y se produce debido a la prdida de adherencia en el eje trasero del vehculo. En un principio se puede pensar

12 que la sobrevirancia es algo deseable, ya que a igual velocidad permite tomar una curva de menor radio que un vehculo subvirante. Sin embargo, el problema reside en el hecho de que la sobrevirancia es una situacin inestable, y se requiere de un piloto muy talentoso para manejar un vehculo sobrevirante, ya que es muy fcil pasar de la sobrevirancia a la prdida de control del vehculo. Para el modelo que se seleccione ser importantsima la sobrevirancia, ya que gracias a ella este podr doblar ms fcilmente en consideracin a que el vehculo todo terreno no contara con sistema diferencial trasero.

La causa principal de la subvirancia y sobrevirancia, tal como se indica anteriormente esta relacionada con la ubicacin del centro de masas en relacin al centroide. De esta manera, si hay mucha masa distribuida en la parte delantera del vehculo (centro de masas delante del centroide), ste tendr tendencia a subvirar, debido a que al doblar, la fuerza inercial relacionada con esa masa en la parte delantera del vehculo tratar de que ste siga en lne a recta, oponindose al cambio de direccin que el piloto desea generar. Por esta razn, se ubican los mayores pesos del vehculo en la parte central posterior del vehculo, logrando tambin as una mejor estabilidad en saltos y baches. Por lo tanto, si el vehculo tiene su centro de masas atrs del centroide, ste tendr una tendencia sobrevirante, debido a que las fuerzas inerciales, tambin tratarn de que la masa siga en lnea recta, pero al estar esta masa en la parte trasera, esto tiene el efecto de que el sector delantero del vehculo siga la curva normalmente, mientras que el sector posterior trate de seguir derecho, por lo que obviamente se produce una dinmica que tiende a que el vehculo genere un "trompo". Pero si el piloto es lo suficientemente hbil como para contravolantear (doblar hacia el otro lado) en el momento preciso, puede evitar el trompo y tomar curvas de pequeo radio a grandes velocidades. Adems, el comportamiento sobrevirante o subvirante se ve aumentado segn sea el eje motriz del vehculo. Esto es debido a que la fuerza de roce en el neumtico tiene un valor lmite, y esta fuerza de roce debe ser compartida, en las ruedas motrices, entre la fuerza debido al torque de la traccin y la fuerza de roce lateral, cuando el vehculo toma una curva. Por ende, a iguales neumticos y cargas

13 normales sobre las ruedas, el eje motriz perder adherencia antes que el eje no motriz. Como conclusin, un vehculo con mucha masa adelante, y con traccin delantera, como lo son la mayora de los vehculos de serie (con motor y caja de cambio adelante), tendr un comportamiento subvirante, mientras que un vehculo con mucha masa atrs y traccin trasera (como por ejemplo el Volkswagen escarabajo y el modelo que se est analizando), tendr un comportamiento sobrevirante.

b) Aspectos importantes en la generacin de la suspensin

Bsicamente, la suspensin tiene como misin principal controlar las fuerzas inerciales que se producen debido a los baches y a las aceleraciones a las que se ve sometido el ve hculo durante la marcha. Las masas sobre las que actan estas aceleraciones se pueden clasificar en dos grandes grupos:

- Masas no suspendidas: En este caso, corresponden al conjunto rueda-masaparrillas de suspensin-frenos, y tiene especial importancia en el caso de las excitaciones producidas al pasar sobre un bache, ya que, en este caso, se produce una gran fuerza inercial relacionada con la masa no suspendida y la aceleracin de la rueda. - Masas suspendidas: Corresponden al resto de las masas del v ehculo y actan sobre las fuerzas inerciales que se producen al doblar, frenar o acelerar. Por ende para el control de estas fuerzas inerciales se dispuso un sistema de amortiguacin del tipo monoshock.

14 c) Consideraciones para la Geometra de la suspensin

Cmber o cada: Se puede decir que el cmber es el parmetro ms importante dentro de los factores que son posibles de ajustar en un vehculo.

fig 1.6 El cmber es el ngulo que se forma entre el plano vertical y la inclinacin de la rueda respecto a este plano. Si debido a los ngulos de inclinacin c y c de la figura los vrtices exteriores del neumtico quedan en el aire, dependiendo del peso y presin del neumtico analizado, s dice que el cmber es negativo. En caso e contrario, se seala que es positivo. Sin embargo, estos efectos no sern analizados ya que los neumticos todo terreno que se usan tienen una superficie de contacto mnima, debido a su curvatura. Es decir, el neumtico tiene un ngulo de cmber de 0 estando el piloto montado en l.

Por lo tanto, partiendo de la base que el vehculo transitar por terrenos de superficie irregular, se requieren bandejas delanteras con amplio recorrido en conjunto con amortiguadores tipo monoshock. Por lo mismo el eje trasero esta r sostenido por una bandeja adosada al chasis, cuyo movimiento es regulado por un amortiguador tipo monoshock de mayor tamao (Apndice A). La bandeja trasera trabaja junto con el chasis soportando esfuerzos de torsin que afectan al resto del vehculo, es aqu donde las bandejas delanteras de amplio recorrido trabajan de forma tal que los neumticos se encuentren siempre en

15 contacto con el suelo dado su amplio recorrido, con lo que se asegura una mejor traccin y direccin en el manejo.

2.2.3.-Costo y durabilidad

El costo del vehculo, a construir con materiales reciclados, no debera superar los $ 400.000, con una vida til estimada en 5 aos, considerando un buen mantenimiento e incluyendo reparaciones menores en su motor y transmisin.

Comprendidos todos estos factores, se debern aplicar en la seleccin del modelo y de su construccin, utilizando las herramientas antes sealadas.

2.3.-Seleccin del modelo a construir y anlisis de piezas Establecidos los principios generales para la modelacin y construccin; como asimismo, el anlisis de los factores importantes a considerar, se procede a la seleccin del modelo del vehculo todo, terreno; tipo buggy, que se modelar y construir . Para la seleccin del modelo se debe tener presentes: la accesibilidad de repuestos en el mercado local; la simplicidad en la distribucin de las masas, dado que la carga slo ser el piloto; las dimensiones y peso total que se pueden comparar con vehculos existentes, como es, por ejemplo, el Honda Pilot(ref.9). En consecuencia, el modelo seleccionado se caracterizar considerando todos los antecedentes sealados anteriormente.

16 2.3.1.-Caractersticas del modelo Monoplaza Chasis estructural de acero SAE1020: disponible en el mercado a bajo costo. Llantas y neumticos aro 8 : disponibilidad en el mercado. Freno hidrulico de disco: disponible en el mercado como material reciclable. Suspensin tipo Monoshock: disponible como material reciclable. Direccin mecnica: disponible como material reciclable. Motor de cuatro tiempos, con caja de cambios interna y secuencial: disponible en motos usadas y reciclables. Traccin trasera sin diferencial: mejor traccin y mayor simplicidad en su construccin. Accesorios: disponibles en el mercado.

2.3.2.- Anlisis de piezas, su funcionamiento y disponibilidad en el mercado

Luego de caracterizar el modelo , se indaga ms acerca de cada sistema o pieza involucrada, en particular para el modelo todo terreno. Algunas de las piezas, como son los amortiguadores, el motor, butaca y otras menores, se buscaron en el mercado santiaguino, muchas de ellas tendrn que ser modificadas y adaptadas al modelo final.

Para lograr visualizar y entender cada fenmeno involucrado en el modelo del proyecto, es necesaria una buena familiarizacin en lo que se refiere a motores y chasis (ver Apndice B). Los buenos diseadores conectan cosas de una manera lgica, e ingeniosa. La observacin y recoleccin de informacin, entonces, es uno de los factores ms importantes para obtener un modelo innovador y funcional.

17 Entonces, si se desea obtener un modelo acorde con las especificaciones indicada anteriormente, al mas bajo costo y con un menor tiempo en su construccin, se debe tener presentes todos los factores. A continuacin, se hace un anlisis para cada una de las partes del conjunto vehculo todo terreno.

2.3.3.-Anlisis de piezas y su funcionamiento a.- El Chasis

El chasis Spaceframe, o sea de bastidor estructural tridimensional, es tan viejo como la escena del deporte motor. Su construccin consiste en los tubos o perfiles rectangulares de acero o de aluminio, colocados en un formato piramidal, para soportar las cargas de la suspensin, el motor, el conductor y la aerodinmica.

Los chasis tipo Spaceframe son hoy la alternativa mas popular en el deporte motor aficionado debido a su simplicidad. Un taller mecnico con obra de mano adecuada puede llegar a construir uno.

Por otra parte, hay tambin algunas ventajas inherentes al usar spaceframes en el deporte motor. Una de ellas, y la ms importante, es que estas estructuras se reparan y se examinan fcilmente en caso de dao. Los chasis Spaceframe consisten en tubos y perfiles soldados, trabajando en compresin, traccin y torsin. Un verdadero spaceframe es capaz de resistir impactos y volcamientos y de proporcionar seguridad para el piloto.

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Chasis del vehculo todo terreno

Chasis en proceso de construccin. fig 1.7

En lo que se refiere al chasis tipo spaceframe o chasis tubular, su construccin con barras influye directamente en la rigidez del vehculo. Las consideraciones para la fabricacin del presente chasis fueron tomadas de la norma internacional de Rallyes (2002), que indica, entre otras cosas: Tubos sin costura de 1,5 mm. de espesor, doblados sin arrugas, y soldados por todo su contorno.

La ubicacin de los acoples para la suspensin se escoge para permitir que el neumtico siga y dibuje la superficie por donde circula. Un buen diseo considera un chasis rgido y con una suspensin gil y obediente para lograr su buen funcionamiento. Los clculos de la suspensi n se encuentran en el Apndice A.

19 Para la fabricacin y modelamiento del prototipo se procedi a analizar todas las alternativas calculadas y mostradas en los Apndices A, B, C, en lo que a amortiguacin, frenos y motor se refiere.

Luego se realizaron los dibujo 3D en Solid Edge pieza (PART) para cada una de las piezas involucradas. Paralelamente se va conformando el modelo del chasis, acomodando las piezas segn su funcin en los puntos ms resistentes de l. Finalmente fueron unidas en Solid Edge Conjunto. As, se pudo modificar los parmetros de recorridos de suspensin, de direccin y obtener la correcta ubicacin de cada una de las partes del conjunto. De esta forma y tomando en cuenta todos estos factores se obtiene el chasis.

Chasis estructural de acero SAE1020 fig 1.8

Chasis en proceso de construccin

Por otra parte, teniendo las piezas correctamente dibujadas es posible aplicar una malla con nodos a cada una de ellas y mediante el mtodo de elementos finitos y el software Algor se logra calcular esfuerzos y cargas que optimizan el modelo en lo que a materiales y dimensiones se refiere.

20 b.- El motor

En lo que se refiere a motorizacin para el vehculo, se escogi utilizar un motor de motocicleta de velocidad, correspondiente a la motocicleta Honda VT250F segn lo calculado en el Apndice G.

Honda VT250F fig 1.9

Esta mquina cuenta con una cilindrada de 250 centmetros cbicos, y una arquitectura de dos cilindros en V siendo adems del tipo de cuatro tiempos. Este motor entrega una potencia de aproximadamente 42 HP a 15.000 RPM. Como se observa, el motor cuenta con una excelente potencia especfica; es decir, gran potencia pese a su pequea cilindrada y con un peso aproximado de 50 Kg.

21 Otro factor para la eleccin del motor fue su complejidad en cuanto a equipamiento se refiere. Obviamente, esta complejidad se traduce en comodidades para el piloto como lo son; un embrague hidrulico, refrigeracin liquida (cooler), electro ventiladores (control automtico) encendido automtico elctrico, luces y otras comodidades que no son posibles con motores mas simples. Debido a las altas revoluciones de estos motores, deben contar con un circuito adecuado para el refrigerante ventilador. y con regulacin en el encendido del electro

Otro factor importante en la eleccin fue que este motor cuenta con una caja de cambios interna de accionamiento secuencial, la cual posee seis cambios ya calculados y diseados; sin embargo, se puede contar con una segunda transmisin por cadena con lo que se logr elegir un mejor escalonamiento de los cambios (ver Apndice C). Este se logra aumentando o disminuyendo la relacin de dientes que existe entre el pin de ataque y la catalina instalada, logrndose as, una adecuada puesta a punto. Por ejemplo; se podra tener una transmisin que permitira darle una mayor velocidad final disminuyendo el nmero de dientes en la catalina; o aumento del par o fuerza y reduccin de la velocidad final, aumentando el nmero de dientes en la catalina. Una de las razones ms importantes en la eleccin del motor fue su accesibilidad mecnica y lo popular que fue el modelo en sus tiempos, lo que permitira tener un mayor stock de repuestos en el mercado.

La eleccin de un motor en desuso contribuye a reciclar equipos y materiales.

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Esta figura muestra el motor que corresponde a una motocicleta HONDA ao1985, DOHC 4T bi-cilndrico en V de 250 cc que fue reciclado de una moto Honda Vt250f 1985 (chocada) y su correspondiente dibujo a escala. fig 2.0 Adquirido el motor se procedi a su desarme completo y revisin de tolerancias y medidas en regla (por catlogo). Se detect que ste requera el recambio inmediato del eje de levas superior delantero; adems, del cambio de asientos de vlvulas y rectificacin de culata respectivos. Una vez efectuada la reparacin de las piezas daadas y contando con los dispositivos en buen estado se procedi a su ensamblaje. Con el fin de ubicar soportes del motor, se utiliz Solid Edge conjunto para un exacto posicionamiento de las piezas.

23 c.- Swingarm o bandeja trasera de suspensin

Estos elementos fueron reacondicionados. En ellos se destaca la alta calidad de bujes, rodamientos, acero, soldaduras y acabados que le proporcionaran una mayor resistencia al vehculo en general.

Swingarm trasero.

Proceso de construccin fig 2.1

d.- Mono amortiguador (Monoshock)

Debido a las cargas y fuerzas generadas por la dinmica del vehculo, se procedi a calcular terica y computacionalmente (Shigley, Mathchad, Algor, otros) las constantes de los resortes, adems de sus dimensiones y caractersticas generales.

Parte importante del clculo estuvo enfocado a las piezas cuya falla seria catastrfica en el funcionamiento del vehculo, estas fueron denominadas como piezas crticas.

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Monoshock Kawasaki 500 1991 y Dos Monoshock trasero Honda XL250 1981.

fig 2.2 Con estos valores fue analizada la opcin de mejor funcionalidad y menor precio, usando para tal efecto un monoshock trasero recuperado de una motocicleta Kawasaki KX500 1991 y dos monoshock traseros de una Honda XL250 1981, segn lo calculado en el Apndice A. Los soportes fueron fabricados tanto en el taller del autor como en maestranzas especializadas segn los espesores calculados (Apndice A).

25 e.- Frenos

El principio de funcionamiento de un sistema de frenado es la reduccin de la energa cintica y/o potencial para transformarla en energa calrica. Con esta transformacin de energa se consigue la reduccin de la velocidad del vehculo. El reparto de cargas sobre el eje en un vehculo moderno detenido, es aproximadamente de un 55% del peso total en el eje delantero, y del 45% sobre el eje trasero. Evidentemente, este reparto ser crtico ya que el modelo no contempla frenos en las ruedas delanteras.

Como se puede observar en el diagrama, la inercia del vehculo al frenar genera una fuerza (Fi ) de movimiento que acta sobre el centro de masa del vehculo. fig 2.3.

El centro de masas del vehculo normalmente, est situado a mayor altura que el eje de las ruedas, lo que genera un par de cabeceo en el vehculo que modifica el reparto de cargas sobre los ejes. Aunque dicho reparto de cargas dinmicas durante la frenada depende tambien de otros factores, tales como el reparto de cargas estticas, alturas del centro de gravedad y otros, se puede estimar que en un vehculo, dicho reparto de un 65 % sobre el delantero y un 35 % sobre el eje trasero (ref.10).

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Si la desaceleracin con la que se desea frenar es lo suficientemente alta , y el motor se encuentra embragado, las exigencias para el sistema de freno son mucho menores que si se desembragase el motor para realizar la frenada.

En consideracin a las caractersticas del vehculo a construir que contempla slo frenos traseros se debe sobre dimensiona r el frenado. Para tal propsito, se instala un sistema de freno de disco perteneciente a un vehculo sedan Fiat, izquierdo delantero. Estas consideraciones son experimentalmente comprobadas, cuyos valores obtenidos son dados en el Apndice F. A continuacin se indican las caractersticas de su funcionamiento.

La bomba de freno o cilindro principal, es el encargado de presurizar el lquido por todo el circuito hidrulico. La bomba de freno reciclada cuenta con doble circuito de freno de tipo ta ndem que corresponde a la del Fiat sedan.

bomba de freno fig 2.4 El sistema tandem significa que la bomba dispone de dos pistones, colocados uno a continuacin del otro, con los cuales se atiende al suministro del lquido a una presin igual para cada uno de los circuitos. Para este caso se suprimieron los dems circuitos posibilitando el flujo por solo uno de ellos.

27 i) Pinza de Freno

La pinza de freno es el elemento encargado de soportar las pastillas adems de empujarlas contra el disco cuando se presuriza el sistema.

La pinza es un elemento crtico del sistema de freno, debido a que su falla es del tipo catastrofica, y est sometida a esfuerzos importantes durante el frenado ta les como vibraciones, excesiva temperatura y otros elementos agresivos. Por lo tanto, para la inspeccin y deteccin de grietas, se debe dispone r de una cmara ultravioleta, que corresponde al sistema de inspeccin de menor costo y que cuenta con una confiabilidad aceptable. Existen diferentes tipos de caliper (pinzas) de freno segn el sistema de freno y el fabricante. Sin embargo, todas se basan en el hecho de que despus de liberar la presin del circuito, permiten que la pastilla de freno, contine en contacto leve con el disco de freno, de forma que en la prxima frenada, el efecto de esta sea inmediato sin requerir un tiempo de aproximacin entre la pastilla y el disco de freno.

Diagrama de funcionamiento del caliper en el freno hidrulico. fig 2.5 El dispositivo utilizado corresponde a un freno hidrulico de doble caliper y pinza flotante el que fue reciclado de un vehculo Fiat 147 ao 1983 (delantero izquierdo).

28 ii) Pinzas de pistn opuesto

El freno de disco de pinzas de pistn opuesto se fija en la brida de montaje mediante dos pernos y las pinzas estn montadas por encima del disco que gira con el cubo de la rueda.

Caliper Fiat izquierdo delantero . SOLID EDGE. fig 2.6 Los cilindros a ambos lados de las pinzas fijas estn equipados cada uno con una junta que se mantiene en una ranura angular en alojamiento del cilindro. Los cilindros y pistones estn protegidos contra la suciedad y agua con una cubierta antipolvo. Los conjuntos de pastillas estn montados entre el pistn y el disco en la ranura de las pinzas y se mantienen en posicin con pasadores. Las pinzas para las ruedas traseras pueden llevar incorporados orificios de fijacin para unir un freno de mano de tipo pinzas accionado mecnicamente que sirva como freno de estacionamiento.

Su principio de funcionamiento es simple; es decir, cuando se pisa el pedal el cilindro principal presuriza el lquido de frenos que empuja por igual a cada uno de los pistones de la pinza, que a su vez empujan a las pastillas contra el disco. La ventaja de este sistema es que ambas pastillas se empujan con la misma fuerza contra el disco.

29 Los lquidos de freno se dividen en la actualidad en dos grupos, dependiendo de las caractersticas que presenten. As en la actualidad se pueden comercializar dos calidades de lquido de freno.

DOT 4: Cuyo punto de ebullicin es de 255C. Empleado en sistemas de disco/tambor o disco/disco sin ABS (usado en el vehculo).

DOT 5: Cuyo punto de ebullicin es de 270C., este lquido debe ser el utilizado para vehculos de altas prestaciones.

Sistema de freno utilizado reciclado de un Sedan Fiat 147 ao 1984. fig 2.7

Bomba de doble efecto fig 2.8

Masas de freno y disco

30 Los pedales fueron adaptaciones de piezas de vehculos en desarme. Con Solid Edge se puede buscar su exacto posicionamiento en el conjunto.

f.- Cremallera de direccin

Corresponde a la cremallera de un Fiat 147 con sus extremos, la cual fue modificada para darle la simetra que se requera.

Cremallera de direccin fig 2.9 Los mandos, manubrio, palanca de cambio, switch de encendido y luces son adaptaciones ergonomtricas efectuadas de acuerdo a las caractersticas fsicas de un piloto de estatura standard.

2.4.- Caractersticas finales del vehculo todo terreno seleccionado.

1.- Chasis fabricado en tubos de 1,5 mm. de espesor, sin costura, y diversos tipos de perfiles de variadas dimensiones y calidades, disponibles en ferreteras. Uniones efectuadas con soldadura al arco, oxigeno y Tig. 2.- Motor de cuatro tiempos de motocicleta Honda DOHC 4T bi cilndrico en V de 250 cc.

31 3.- Suspensin trasera tipo monoschock recuperad y modificada de una motocicleta Kawasaki kx 500. 4.- Suspensin delantera tipo monoschock, recuperada y modificada de motocicletas Honda Xlr 250. 5.- Brazos de suspensin diseados de acuerdo a especificaciones de proyecto. 6.- Llantas fabricadas en maestranzas externas.

7.- Neumticos recuperados del mercado secundario.

8.- Frenos, manubrio y cremallera de direccin reciclados de un Fiat 147.

32 CAPTULO 3 ANLISIS COMPUTACIONAL DEL MODELO 3.1.- Uso de programas computacionales para el diseo

Antes del anlisis computacional, se desarroll un anlisis terico usando el material bibliogrfico disponible en la biblioteca del Departamento de Ingeniera Mecnica. En textos como Diseo en Ingeniera Mecnica (Shigley), se encuentran las frmulas y criterios que, aplicadas y adaptadas matemticamente a la realidad del funcionamiento del vehculo darn valores preliminares. Estos valores, junto con los entregados por el programa computacional Algor, permiten comprobar el factor de seguridad n de la pieza seleccionada. Adems Algor permite observar, virtualmente, las distribuciones y valores mximos de esfuerzo que obran sobre la pieza analizada. La situacin dinmica a la cual se someter al vehculo, consiste en simular un movimiento acelerado del vehculo, ms una cada libre desde una altura determinada, en las siguientes condiciones:

El peso total del vehculo incluyendo combustible y aproximadamente 300 Kg.

piloto, ser de

El vehculo acelerar de 0 a 50 km/h en aproximadamente 17 segundos.

Cada desde una altura estimada de un metro.

El procesamiento de datos tericos y clculos se realiz con el software (programa computacional) Mathcad (Apndice A); herramienta computacional de procesamiento matemtico, que posee un entorno amigable al usuario.

33 Otra herramienta usada en el clculo de esfuerzos fue el programa computacional Algor, el cual da una visin tridimensiona l de todos los esfuerzos y efectos producidos al aplicar las cargas o torques en las piezas crticas.

Con Algor se visualizan mejor los puntos crticos a analizar, se calculan y se comprueban los valores de esfuerzos en los puntos ya mencionados, dndole as un respaldo a los clculos tericos procesados en Mathcad, en el evento que resulten coincidentes.

3.2.- Herramienta computacional Solid Edge

El programa computacional a usar para la modelacin es el Solid Edge V.10, el cual se caracteriza por la modelacin de piezas en ambientes 3D.

El programa contiene aplicaciones para fabricar las piezas (virtualmente). Uno de ellos Solid Edge pieza, permite construir una operacin base y modificarla con otras operaciones agregadas, como protrusiones, vaciados, agujeros y refuerzos, para as construir un modelo slido y acabado. Solid Edge, puede construir un conjunto con piezas existentes, o definir piezas nuevas y disearlas dentro del conjunto. Para la simulacin del modelo se us Solid Edge Movimiento. Con este entorno, se pueden calcular recorridos, geometras de suspensin y direccin (extremos y barras de direccin), dimensionar constantes elsticas de los resortes, y fuerzas disipativas en los amortiguadores.

Finalmente Solid Edge Vista, proporciona una visin panormica y en movimiento del conjunto.

34

3.3.- Modelacin de partes y desarrollo de piezas en 3D asistido por computador

Son

necesarios

bosquejos

aproximados,

en

escala,

del

vehculo

seleccionado siempre tratando de ubicar los puntos crticos del conjunto en los lugares mas reforzados del chasis. Luego se aplicar Solid Edge parte y Solid Edge conjunto.

3.4.- Ensamblaje del vehculo en Solid Edge V10 3D El uso de Solid Edge fue esencial para la concepcin del modelo: se inicia modelando por partes, tratando siempre de minimizar el peso y aumentar la resistencia en cada pieza, teniendo p resente efectos de deformacin y otros. Las piezas consideradas como crticas son presentadas y calculadas en el Apndice A. Piezas dibujadas por separado para el ensamblaje del chasis Modelacin de partes y desarrollo de piezas en 3D. en Solid Edge V10

fig 3.1. Parte inferior del chasis. Acero SAE1020, perfiles cuadrados 30x30x3, rectangulares 40x30x3, tipo c, segn especificaciones del modelo, soldado en todo su contorno con soldadura al arco electrodos 6011.

35

fig 3.2. Parte lateral superior del chasis. Acero SAE1020, soldado en todo su contorno con soldadura al arco electrodos 6011.

Parte o pieza delantera de la jaula. fig 3.3 Acero SAE1020 sin costura, soldado en todo su contorno. Tubo de 1.5 mm. delantero de la jaula.

36

Parte o pieza trasera de la jaula fig 3.4. Acero SAE1020 sin costura, soldado en todo su contorno. Tubo de 1.5 mm. y perfiles 20x20x3; anclajes traseros en la jaula.

Brazo de suspensin delantera . fig 3.5 Acero SAE1020, soldado en todo su contorno, con soldadura al arco electrodos 6011.

37

Brazo de suspensin trasera. fig 3.6 Acero reciclado y perfiles (SAE1020), Tubo sin costura y perfiles soldados en todo su contorno.

38 Ensamblaje del vehculo en Solid Edge Conjunto V10 3D

Conjunto bandeja y rueda (Solid Edge). fig 4.1

Posicin del monoshock. Suspensin delantera. fig 4.2

39

Posicin del monoshock. Suspensin trasera fig 4.3

Suspensin trasera. fig 4.4

40

Ensamble del chasis, suspensiones, bandejas y ruedas. fig 4.5

Conjunto. fig 4.6

41 3.5.- Simulacin virtual del vehculo en Solid Edge V10

En Solid Edge Movimiento, fue posible crear animaciones, incluir las suspensiones trasera y delantera, con variables como la constante del resorte y la fuerza resistiva del amortiguador. Todo esto se realiza partiendo de la base de que las piezas estn correctamente dibujadas ya que Solid Edge Movimiento trabaja bajo las leyes fsicas (que son posibles de modificar). Adems es posible observar los recorridos y las posibles interferencias dentro del conjunto. A continuacin algunas fotos tomadas de dichas animaciones.

Sistema monoshock virtual. fig 3.7

42

Sistema monoshock virtual fig 3.8

Simulacin del recorrido de las suspensiones. fig 3.9

43

Modelo final a escala del vehculo. fig 4.0

44 CAPTULO 4 CONSTRUCCIN DEL VEHCULO 4.1.- Crnica de la construccin

Para la construccin del vehculo se confeccionaron los dibujos de todas las piezas a escala, de ah se extrajeron los planos con Solid Edge plano. Con Solid Edge conjunto, se examinan tolerancias y puntos de interferencia que fueron modificados para un perfecto ensamble del vehculo.

Se procedi a construir las piezas que a continuacin se mencionan, por separado, gracias a Solid Edge pieza.

Primera pieza inferior del chasis. fig 4.7

45

Ensamblaje y soldado en 90, de las partes 1 y 2. fig 4.8

Ensamblaje y soldado pieza 1y 2 con 3(azul). fig 4.9

46

Ensamblaje y soldada pieza 4. fig 5.0

Ensamblaje de las suspensiones. fig 5.1

47 4.2.- Fotos de la construccin. Piezas reales.

Ensamble de piezas. fig 5.2

Chasis Spaceframe, en perfiles cuadrados y rectangulares. fig 5.3

48

Construccin de las bandejas y ruedas delanteras. fig 5.4

Bandejas delanteras y trasera . fig 5.5

49

Conjunto brazo masa rueda delantera derecha. fig 5.6

Soporte caliper de freno. fig 5.7

50

Freno posicionado. fig 5.8

Disco de freno trasero. fig 5.9

51

Gua de cadena y transmisin secundaria. fig 6.0

Solid Edge Chapa. Estanque de bencina. fig 6.1

52

Estanque para bencina. Soldadura al arco (6011) estanque para bencina. fig 6.2

Modelado en fibra de vidrio.

Molde positivo lateral izquierdo ( para fibra de vidrio). fig 6.3

53

Sistema de suspensin trasera, el eje motriz es uno y soporta el disco de freno, la catalina y las ruedas. fig 6.4

Sistema de suspensin delantero, la bandeja debe pibotear a la misma altura que el extremo de direccin. fig 6.5

54 Vehculo construido.

Vehculo terminado, vista lateral derecha que muestra el posicionamiento del motor. fig 6.6

55

Vehculo terminado, vista lateral izquierda, muestra la pieza protectora y contenedora de la batera realizada en fibra de vidrio, se puede ver tambin el estanque de bencina. fig 6.7

Vehculo terminado, vista lateral diagonal derecha, muestra el eje y suspensin traseros. fig 6.8

56

Vehculo terminado, vista frontal, muestra la simetra entre la cremallerade direccion y el pivoteo de las bandejas y el ngulo de camber igual a cero estando este en reposo. fig 6.9

57 CAPTULO 5 ANLISIS DE COSTOS.

COSTO UNITARIO Parte Chasis jaula Observaciones Acero: perfiles, tubos, soldadura, esmeril, etc Tornera Fabricacin de masas para ejes y transmisin. Motor ruedas y ejes y frenos Butaca, accesorios Total Deportiva, accesorios... Costo de Produccin 80.000 390.000 Segn especificacin. 150.000 60.000 $ 100.000

La carta Gantt realizada con el software Microsoft Project muestra los tiempos de los respectivos procesos productivos. Los tiempos y tareas estn cuantificados en base a una empresa que consta de una sola persona quien deber realizar todas las tareas all expuestas. El costo de mano de obra no esta cuantificado por corresponder a un trabajo realizado segn el inters del auto r. Sin embargo, el tiempo obtenido en la carta Gantt fue cronometrado durante el tiempo de trabajo efectivo, pero no cuantificado en cuanto a la experticia y efectividad de quien lo realiz . Sin duda, el costo de la mano de obra ser un valor significativo por cuanto es de aproximados de 400 hrs lo que corresponde a unos dos meses de trabajo de una persona.

58

59 Listado de procesos

1.2.3.4.5.6.7.8.9.-

Recopilacin de informacin Estimacin aprox. de parmetros de funcionamiento y dimensiones. Clculo computacional de suspensiones, motor, chasis, frenos. Comprobacin de resultados preliminares, (comparacin, extrapolacin) Cotizacin y disponibilidad de repuestos. Toma de medidas de repuestos y accesorios. Modelado Computacional 3D Inspeccin del modelo simulado 3D por el cliente. Remodelado fabricacin.. segn requerimientos del cliente, obtencin de planos de

10.- Aprobacin del Proyecto por el cliente. 11.- Fabricacin del chasis y piezas especiales. 12.- Fabricacin de suspensiones. 13.- Modificacin de Repuestos y piezas. 14.- Ensamblaje Prueba. 15.- Desarme. 16.- Pulir detalles presentacin. 17.- Pintura, niquelado y cromado de piezas y chasis. 18.- Ensamblaje Final. 19.- Prueba final. 20.- Traslado. 21.- Entrega.

60 CAPTULO 6 CONSIDERACIONES GENERALES Y CONCLUSIONES

1.-

En el desarrollo de este trabajo se mostr que es posible construir un

vehculo todo terreno a un costo razonable e ingenierilmente justificado mediante la utilizacin de herramientas computacionales como, el software ALGOR y Solid Edge. 2.El uso de programas computacionales adecuados oblig al autor a

profundizar, sin disponer del respectivo manual o texto gua, en el conocimiento y operatividad de ellos, buscando utilizar las potencialidades de los programas segn las exigencias impuestas por el modelo.

3.-

Con las herramientas y conocimientos, de los programas computacionales se

pudo calcular y justificar los clculos tericos, como los esfuerzos y factores de seguridad en piezas crticas y en agresivos escenarios. 4.A travs de estos medios, se logr modelar y especificar, suspensiones,

recorridos de bandejas, tolerancias e interferencias, puntos a reforzar y el conjunto completo simulado a escala.

5.-

Luego de haber dibujado el modelo, se procedi a realizar los planos para su

construccin y la adquisicin de piezas y partes segn lo analizado en el cuerpo de la memoria. 6.Este trabajo concluy satisfactoriamente con las metas y objetivos

propuestos por el autor, logrndose adems, comprobar los clculos de los esfuerzos en piezas, a travs del desarrollo terico y computacional. 7.Se cumpli tambin con un objetivo subsidiario, que fue la superacin

personal para el autor, que contemplo la adquisicin de habilidades profesionales en la construccin metalmecnica y mano de obra especializada. En efecto para financiar la construccin del vehculo y con el fin de abaratar costos, el memorista debio avanzar en las tcnicas de torneado, soldado y corte de material.

61

8.-

La experiencia adquirida en el desarrollo de este trabajo, indica que siempre

es posible mejorar un diseo o un modelo, segn se trate, ya que cada vez que se intenta optimizar algn punto de ste aparece otro y no de menor importancia a analizar. Es por esta razn que, en esta memoria; se intenta indagar, verificar, calcular y construir todo un conjunto, que si bien satisface las condiciones propuestas, indica que existen partes o piezas que podran ameritar un estudio ms intenso que el realizado. 9.El funcionamiento del prototipo fue el esperado, destacndose su capacidad

de frenado (ver Apndice F). Por otra parte , el vehculo construido logr aceleraciones razonables, de manera que Km/h en lnea recta alcanz velocidades de hasta los 50

en un tiempo de 17 segundos. Asimismo, logr subir

pendientes de 30 partiendo del reposo, y caer desde una altura de un metro a una velocidad de 30 km/h, sin sufrir daos de ningn tipo. La potencia del motor fue verificada (apndice G), comprobndose que efectivamente el motor entreg la potencia nominal sealada en su adquisicin y que las prdidas por roce y otros efectos fueron significantemente bajas.

10.- En cuanto al comportamiento de las suspensiones estas fueron probadas en marcha y en terrenos bastante hostiles, el comportamiento de sta permiti que hasta en los baches mas pequeos las ruedas no perdieran contacto con el suelo en el bache. Lo que propicia una buena maniobrabilidad al momento de doblar y acelerar o desacelerar el vehculo todo terreno. Adems se percibi por parte del piloto una buena linealidad del CM del vehculo o que repercute en confort al l manejar y la no necesidad de usar faja para retener los riones del piloto en los baches.

62 Bibliografa

1.- RIOS, ORLANDO 1960. La suspensin, automviles de competicin Barcelona Ceac. 213p.

2.- SEELY M.S, FRED, 1960. Mecnica Analtica para Ingenieros. Mxico Hispano Americano. 460p. 3.- SHIGLEY, JOSEPH EDWARD y R. MISCHKE CHARLES, Diseo en

Ingeniera Mecnica, 5ta ed. Mxico, McGraw-Hill, 860p.

4.- STANGE ESPINOZA RODRIGO 2001, Generacin Conceptua l y Analtica de la suspensin de un vehculo de competicin, Dpto. de Ingeniera Mecnica. 5.- Sant Mximo Espaa (2003) Moto Verde Carburadores N 223 pp177-178. 6.- Sant Mximo Espaa (2003) Moto Verde Bomba de agua N 277 pp176 -177. 7.- Sant Mximo Espaa (2003) Moto Verde EL Rle N 268 pp178-179. 8.- Sant Mximo Espaa (2003) Moto Verde El motor de partida N 277 pp178 179. Memoria para optar al titulo de Ingeniera Ejecucin en Mecnica Santiago, Universidad de Santiago de Chile,

9.- Soporte en lnea, buscador , direccin electrnica www.BuggyLinks.com, (www.meyersmanx.com/history.htm) fecha de consulta (Marzo 003).

10.- Soporte en lnea buscador , direccin electrnica www.Sandcar.com, fecha de consulta (Enero 2003).

63 11.- Soporte en lnea , direccin electrnica www.Dunebuggy.com, (http://www.iespana.es/jvilches) fecha de consulta (Marzo 2003).

64

APNDICES

65 APNDICE A Clculos segn modelo terico. 1.- Anlisis de las fuerzas que afectan a las suspensiones del vehculo 1.1 Fuerzas debido a la aceleracin del vehculo. Diagrama de cuerpo libre del vehculo afectado dinmicamente en movimiento lineal acelerado. DCL 1

A

B

fig. A1.1 Datos

m := 300kg m a := 0,8 2 s m g := 10 2 s k := 1.30m L = 1.15m h := 0.40m := 1.3

66 Donde es el Coeficiente de roce de pavimento en caucho (ref.4)., y a := 0.8 , corresponde a la aceleracin del vehculo de 0 a 50 km/h en 17 segundos. Haciendo torque en A se obtienem( gL ah) 2( k + l )

N f :=

N f = 68.4 Kgf

De igual forma haciendo torque en B se obtiene

N r :=

m( gk + ah) 2(k + l )

N r = 81.5 Kgf

Por otra parte, haciendo sumatoria de fuerzas en la horizontal:

Frr := m

a 2

Por otra parte, para que no patine:

f r N rEs decir:m a m( gk + ah) 2 2(k + l )

De aquk k +l h

ag

O sea

a 8.76

m s2

67m , se cumple que 2 N r , es s2 decir [Frr ]max , es mayor que Frr, con esto se asegura que el vehculo no patine.

Por lo tanto , como se ha considerado que a = 0.8

sea se cumple que:

Frr < 2 N r

68 1.2.- Fuerzas debido al im pacto Con el objeto de obtener la fuerza de impacto del vehculo en un salto, ser necesario conocer la constante elstica equivalente de los resortes en las suspensiones, Se considerara despreciable el efecto elastico de los neumticos, debido a su alta presin de inflado y en consideracin del tiempo de impacto reducido. Constante elstica equivalente Para un sistema de resortes en paralelo, la constante elstica equivalente es la suma de las constantes elsticas de los resortes involucrados. En este caso se tienen tres resortes en paralelo (2 delanteros y uno trasero).

Para los delanteros:

K1 := 50

kgf , cm

: K 2 := 50

kgf cm

Para los traseros

K3 := 80

kgf cm

Las constantes elsticas son aproximadamente las especificadas en la seleccin del modelo.

Entonces:

K e := K 1 + K 2 + K 3

K e := 180

kgf cm

69 Anlisis Del impacto Para el anlisis de las piezas crticas y del factor de seguridad para el conjunto ser necesario llevar el vehculo a situaciones lmites como son las producidas por los saltos del vehculo, que generan fuerzas de impacto. Para evaluar la fuerza de impacto se supondr que el vehculo cae desde una altura H. En la figura se considera un cuerpo de peso W que cae desde una altura H con una velocidad inicial nula a un resorte de constante Ke (ref 3). DCL 2

Nivel 0

0hNivel 1

V := 0

Nivel 2

y

fig. A1.2

La fuerza mxima corresponder a la mxima fuerza elstica; es decir, cuando se llegue a la mxima compresin, que corresponde a la posicin cuando la velocidad del cuerpo sea finalmente nula. Como en este caso las fuerzas que actan son el peso y la fuerza elstica y ambas son fuerzas conservativas, entonces se puede utilizar el teorema de la conservacin de la energa mecnica. Las condiciones de borde son:

Inicial: Intermedia: Final

y0 = 0 ,

V0 =

y1 = h y2 = h + ,

y =0 t

(subndice 0) (subndice 1)

V2 = 0

(subndice 2)

Donde es el maximo acortamiento del resorte equivalente.

70 Sea y1 = h , el nivel de referencia nulo de la energa potencial gravitacional. Adems la energa potencial elstica es igual a un medio del producto de la constante elstica por el cuadrado del alargamiento o acortamiento, segn sea el caso. As, se puede escribir:

mgh =

1 1 mV 12 = mg + K e 2 2 2

La ecuacin, cuadrtica, para , se puede escribir:

22

mg mg 2 h=0 Ke Ke

De donde

=

mg mg mgh ( )2 + 2 Ke Ke Ke

En consideracin que , en este caso es positivo; se puede escribir como:2hK e W Ke h mg 1 + 1 + = 1 + 1 + 2 Ke mg K e W

=

Por lo tanto, la fuerza elstica mxima, Femx , ser:

K h Femx = K e = W 1 + 1 + 2 e , W

Fe max := Fimp

71 El vehculo caer libremente desde una altura H:=100cm, con un peso lleno (piloto gasolina). Por lo tanto, la fuerza de impacto resulta ser:

Fimp = 745kgf

72 1.3 Fuerzas en el Conjunto SWINGARM trasero, MONOSHOCK trasero (amortiguador), Ruedas.Conjunto SWINGARM trasero, MONOSHOCK trasero (amortiguador), Ruedas.

DCL 3

fig. A1.3 Datos L := 100cm c := 40cmb := 50cm h := 40cm := 45

La fuerza de impacto se puede suponer de igual valor para las ruedas traseras y las delanteras, dado que el centro de masa del vehculo esta casi centrado.

73 Luego la fuerza F de reaccin de los neumticos traseros en el caso ms desfavorable es la suma de la mitad de la fuerza de impacto y la fuerza debido a la aceleracin es decir:

F :=

Fimp 2

+ 2 Nr

F := 602.3kgf

Donde F corresponde a la sumatoria de la fuerza dinmica mas la mitad de la fuerza de impacto, que correspondera a la fuerza aplicada a los neumticos traseros en el momento critico descrito , F es la fuerza utilizada en el diagrama de cuerpo libre 3. Haciendo torque en A se obtiene la fuerza sobre el amortiguador:

S :=

(FL h2 Frr )b cos( )

S = 1.676 x10 3 kgf

El equilibrio en la horizontal, permite obtener:

(FL h 2Frr ) Rx := 2Frr + sen( ) b cos( )

R x = 1161 .4kgf

De manera similar del equilibrio de fuerzas en la vertical:R y := S cos( ) F R y = 582 .81kgf

74 Calculado el valor S, que corresponde a la fuerza crtica a la cual es tara sometido el resorte del monoshock trasero, podemos obtener la constante de este resorte ya que el recorrido del resorte y por ende el de la suspensin trasera viene acotado en el modelo del vehculo.

El recorrido de la suspensin, que viene acotado en el modelo, es:R ec := 18 cm

Por lo tanto:

K real :=

S Rec

K real := 93 .11

ANALISIS DE RESULTADOS El valor obtenido para la constante k del monoshock trasero es similar a la entregada por el fabricante esta es de 85 kgf/cm (http:www.racetech.com). La informacin obtenida fue validada en la siguiente direccin de internet. http://www.racetech.com/evalvi ng/english/cv_results.asp Sin embargo, es necesario, observar que se ha considerado que la fuerza es resistida solo por el resorte, en circunstancia que existe tambin el amortiguador hidrulico, con esto se logra garantizar que los valores obtenidos aseguran un buen funcionamiento para la suspensin. Adems, las suspensiones tipo Monoshock poseen "regulacin de precarga de muelle", o sea que al resorte se le puede variar su compresin, mediante un anillo con hilo, que lo comprime longitudinalmente, variando as sus caractersticas de funcionamiento. Esta ventaja del monoshock repercutir adems en la futura puesta a punto de la suspensin del vehculo para distintas configuraciones de terreno.

75 1.4.- Fuerzas en el conjunto Swingarm o bandeja delantera de suspensin (izquierda). A continuacin se calculara S 1 que corresponde a la fuerza que soportara el monoschock delantero en cada una de las dos bandejas delanteras. EL diagrama de cuerpo libre se puede representar como sigue: DCL 4

fig. A1.4

Datos: a := 20cm

b := 36cm c := 18cm d := 8cm := 10

76 La fuerza de impacto se puede suponer de igual valor para las ruedas traseras y las delanteras, dado que el centro de masa del vehculo esta casi centrado. Entonces para una bandeja delantera la fuerza F 1 se puede escribir como:

F1 :=

Fimp 4

+ Nf

Reemplazando los valores para el conjunto bandeja izquierda delantera, se tiene:

F1 := 254.65kgf

Haciendo sumatoria de torques en el punto O se obtiene S1, que corresponde a la fuerza en el amortiguador.

S1 :=

(a + b + d )F1b cos( )

S1 := 478.37kgf

El recorrido de la suspensin que viene acotado en el modelo es:Rec := 11cm

Por lo tanto:

K real :=

S Rec

K real := 43.48

ANALISIS DE RESULTADOS El valor obtenido es similar al entregado por el sitio web "www.racetech.com" especficamente para el modelo Xl250 ao 1981, donde se encuentra que la constante del resorte del monoshock trasero es de 40kgf/cm. En especial, si se considera que adems acta una fuerza amortiguadora hidrulica, se puede decir que la suspensin funcionara correctamente. La informacin obtenida fue validada en la siguiente direccin de internet. http://www.racetech.com/evalving/english/cv_results.asp

77

2.-Anlisis y clculo de piezas crticas y factores de seguridad 2.1-Pieza 1 Soporte pasador Swingarm trasero. (amarillo) denominada crtica debido a que su ruptura o falla desenc adenara instantneamente una prdida del control del vehculo, y con esto un accidente. La pieza ser sometida a dos efectos tensin o compresin simple y a flexin, este anlisis ser realizado bajo los criterios encontrados en el libro Diseo en Ingeniera Mecnica. (Joseph Edward Shigley, Charles R.Mischke, ref 3).

fig. A2.1 Para el clculo es necesario obtener un factor de concentracin de esfuerzo terico o geomtrico. Este factor llamado Kt se emplea para relacionar el esfuerzo real en la discontinuidad, con el esfuerzo nominal. De modo que:

max = Kt 0Donde Kt solo depende de la geometra de la pieza. Esto es, el material especfico usado no tiene ningn efecto en el valor de Kt. F Y donde 0 := . A Usando R y = 582 .81kgf suponiendo que la carga afectara completamente a la pieza solicitada tenemos que F := R y ; entonces: F = 582 .81 kgf

78 Ahora para la pieza sometida tensin o compresin se aplica la figura A-15-1, viene de, (ref 3).

Los valores para entrar a la tabla y estimar el valor de K t se calculan y son:

d 1 := 2cm Wa := 7cm t := 0,3cmDonde los valores dependen de la geometra de la pieza y mostrados en el esquema de la figura 15-1:Dw := d1 Wa

Dw = 0.29

DH :=

t d1

DH = 0.15

De la tabla A-15 se obtiene el valor de K tK t := 2.4

79

El rea segn la figura A-15-1 es: A := (Wa d1 ) t En el caso ms desfavorable se tomara: F = R y := 5828 .1N 0 := F A 0 = 38853333 .33 N ; m2

A = 0 .00015 m 2

0 = 38.85 MPa

max := Kt 0

max = 93.24MPa

El valor para max es de max = 93.24MPa , entonces el factor de seguridad para la pieza es de:

n :=

Sy ; max

n 5.04

Con Sy := 470 MPa , para un acero G1020CD(ref.3).

80

2.2.-

La pieza 2 es denominada crtica debido a que su ruptura o falla desencadenara instantneamente una prdida del control del vehculo, y con esto un accidente. En la figura es mostrada en amarillo.

Fig.2.2

La pieza que se analizar es la sujecin entre el Monoshock trasero y el chasis, esta se encuentra soldada por ambos costados longitudinalmente , se calcular tericamente (Shigley) y mediante el software Algor.

81

Pieza critica 2 fig.2.2.1

Para el clculo es necesario obtener un factor de concentracin de esfuerzo terico o geomtrico. Este factor llamado K t se emplea para relacionar el esfuerzo real en la discontinuidad, con el esfuerzo nominal.

max = K t 0

tabla 2.2 factor de concentracin de esfuerzos

82 La tabla 2.2 representa una placa con pasador donde se cumple que:

0 =

Donde A = ( w d ) t es el rea de la seccin transversal de la placa en el agujero. El valor de Kt slo depende de la geometra de la parte. Esto es, el material especfico usado no tiene ningn efecto en el valor de K t.

F A

;

Para esta pieza Kt 2.6 w (m) 0.04 d (m) 0.008 h (m) 0.017 t (m) A m2 0.005 0.00016 Tabla 2.2.1 h/w 0.5 d/w 0.5

Los resultados para una pieza fabricada con acero SAE1020CD y con las dimensiones antes sealadas son: Para la situacin mas desfavorable sea cuando F=S=16764 N del DCL 3.

H altura cada(m) 1.00

Kt 2.4

0 Mpa S y 1020 390 104.75 Tabla 2.2.2

max Mpa 251.46

n(1020) 1.5

Donde S y corresponde a la resistencia de fluencia para el material seleccionado (ref.3).

83 Calculo de la soldadura en la pieza crtica 2. El caso analizado corresponde al de una unin a traslape con juntas paralelas longitudinales, y con carga de c ompresin (ref.3).

cargas paralelas de uniones soldadas de filete.

fig.2.2.2 El rea de garganta es 0.707 h L en cada listn o filete de soldadura, puesto que hay dos de ellos el esfuerzo medio es:

=

S S = 2 Ag 1.414 h l

Es probable que considerar como uniforme la distribucin de esfuerzos a lo largo del cordn no sea correcto. Sin embargo se acostumbra adoptar la hiptesis de esfuerzo cortante uniforme a lo largo de la garganta (ref.3). A continuacin los valores para el factor de seguridad en la soldadura usando distintos electrodos.

84 Factor de seguridad obtenido para la pieza soldada con distintos tipos electrodos E6011, E9011.

h garganta 0.3 cm

Largo garg 3.5 cm

SyE6011 (MPa) 345

n(E6011) 2.77

SyE9011 (MPa) 531

n(E9011) 4.27

Tabla 2.2.4 Donde S y corresponde a la resistencia de fluencia para el electrodo seleccionado (ref.3).

2.3.-Pieza critica 2 analizada con el software Algor

Se construy la pieza respetando las medidas reales del modelo

fig 2.3 Se procedi a mallar la pieza Luego se pusieron las condiciones de borde en la soldadura y se agreg una fuerza de F= 16764 kgf, que corresponde a la mitad de la fuerza S en el diagrama de cuerpo libre 1. Esta fuerza se distribuir en 9 nodos que juntos corresponden al sector de contacto del pasador con la pieza.

85

fig.2.3.1 Los esfuerzos mximos en la pieza estn de color rojo intenso se comparan con el valor mximo de la Tabla 2.2.2, cabe destacar que son del mismo orden a los calculados tericamente (ref. 3), con un 95% de coincidencia. Por otra parte la Hiptesis que presenta el libro Diseo en Ingeniera Mecnica. (Joseph Edward Shi gley, Charles R.Mischke, ref 3) de que el esfuerzo longitudinal en la garganta es uniforme, no es verdadero segn lo calculado por Algor (ver coloracin en cordn) en fig.2.3.1.

86

fig.2.3.2 Se observa como se desformar la pieza aumentando su escala en un factor de 2E9 y se obtuvieron las siguientes tendencias de deformacin amplificadas.

fig.2.3.3

87 APNDICE B Descripcin del funcionamiento de los elementos en el motor. Los que corresponden a los de una motocicleta de cuatro tiempos, que es utilizado en el modelo seleccionado Carburador de vaco constante

La carburacin consiste en alimentar el motor con una mezcla de aire y gasolina pulverizada, en la proporcin justa para una buena combustin. una de las opciones para realizar esta labor es el carburador de vaco - constante a depresin

Durante el primer siglo de existencia de la motocicleta, la tarea de la carburacin se ha encomendado al carburador, que lgicamente ha evolucionado para perfeccionarse, y que hoy en da va quedando reemplazado por la inyeccin electrnica. La caracterstica comn de todo tipo de carburadores es que el aporte de

88 gasolina se lleva a cabo gracias al efecto Venturi - cuando un fluido circula por un conducto y se encuentra un estrechamiento, la velocidad del mismo aumenta y la presin sobre las paredes del estrechamiento disminuye -. Existen dos tipos de carburadores: tiro directo y el de vaciado constante. La diferencia ms obvia entre ambos es el mtodo por el que se abre la campana. En los de tiro directo, el piloto gobierna la apertura de la campana con el mando del acelerador. En cambio, en los de vaco constante - a depresin -, el usuario maneja la mariposa y es la depresin de la admisin la que levanta la campana. Este tipo de carburador es muy usado en los motores 4T como el que equipa nuestro modelo.

La campana - amarilla en la figura - de este tipo de carburador a depresin tiene una membrana adosada - roja en el dibujo - que ajusta con el cuerpo del carburador y su tapa, y establece dos cmaras que se comentan ms adelante. Por lo dems la estructura resulta similar a la del carburador de tiro directo.

La vlvula manejada por el acelerador, que tiene forma circular y gira de ntro del conducto principal del carburador abriendo paso al girar - azul oscuro en la imagen -, suele llamarse vlvula de mariposa y slo influye indirectamente en el proceso de acelerado del motor, pues permite el paso de la depresin a la cmara superior del carburador, que es la que de verdad pone las condiciones para que el rgimen aumente. La cmara de depresin citada est situada por encima de la campana y de su membrana, y va conectada al conducto principal, y cuando la mariposa abre permite el paso de la depresin de la admisin a esta cmara - color naranja en el esquema -.

Por ltimo, debajo de la membrana se establece otra cmara que se encuentra a presin atmosfrica por comunicarse directamente con el exterior - azul claro en el dibujo -. Cuando la cmara superior se encuentra a menor presin que la que nos ocupa, la campana se levanta comprimiendo un muelle que devuelve a la campana a su posicin de reposo cuando no es solicitada, y este es el porqu de su funcionamiento, consiguindose as que la campana suba slo lo necesario, en lugar de abrir.

89

Bomba de aceite y vlvula de descarga

Las bombas de aceite a las que nos referimos en este Apndice son aquellas que establecen presin en los sistemas de lubricacin, no las de trasvasije utilizadas en los sistemas de crter seco ni, mucho menos, las empleadas para la mezcla automtica en los motores de dos tiempos Este tipo de bombas tienen que asegurar caudal y presin suficiente para alimentar todos aquellos elementos que se confan a su cuidado, como cigeal, bielas, pistones, rboles, etc. Esta caracterstica hace necesaria una presin alta que no puede, eso s, llegar a extremos exagerados. Por ejemplo la presin establecida en el interior de un cojinete, entre casquillo y eje, debe ser suficiente para evitar que estos elementos se toquen, gracias a la cua hidrodinmica que se forma. Cuando el motor gira a rgimen de ralent es necesaria menor presin, porque ahora no est

90 sometido a cargas del vehculo . Pero ocurre que estas bombas generan ms presin cuanto mayor es el rgimen de giro. Si a mil revoluciones por minuto hay presin suficiente para lubricar todo el propulsor, cuando el rgimen sube, por ejemplo, a catorce mil vueltas, la presin que aporta la bomba es demasiada elevada que puede producir daos en los sellos y retenes. Para evitar esa sobrepresin se instalan vlvulas de descarga como la representada en la figura, y cuyo funcionamiento explicaremos justo despus del de la bomba trocoidal, la ms comn en nuestros das, tambin representada en un dibujo. El rotor interior tiene forma de trocoide - de ah el nombre - y gira solidariamente con el eje en el interior del rotor exterior, que tiene forma inversa a la del interior pero con un lbulo ms. Cuando gira el eje de la bomba obliga a moverse, a su vez, al rotor exterior que arrastra y comprime el aceite para mandarlo al circuito. Las pistonadas que bombea este artilugio aumentan con el rgimen, y eso es lo que hace imprescindible un sistema que regule la presin para evitar averas. Aqu hace su aparicin la vlvula de descarga que se aprecia en la figura. Conectada al circuito poco despus de la bomba, el pistn de la figura tapa la vlvula y se mantiene en esta posicin gracias al muelle tambin representado. La precarga de este muelle se regula con la arandela que observis, que cuanto ms gruesa sea ms empuja al muelle y, por tanto, al pistn de cierre As, cuando la presin pasa de un punto previsto por el constructor, vence al muelle que sujeta al pistn y deja salir aceite de nuevo a la bandeja del crter de la que la bomba lo absorbe. Si en un sistema de lubricacin se lleva a cabo alguna modificacin que aumente la necesidad de presin - por ejemplo, la instalacin de un radiador de aceite -, resulta aconsejable aumentar la precarga del muelle mediante una arandela ms gruesa que impida abrir a la vlvula hasta que haya mayor presin.

91 El motor de arranque

Este dispositivo supone una complicacin del sistema elctrico, peso aadido y lo que se quiera, pero es indiscutible en una cuatro tiempos.

Entender cmo funciona este sistema es tanto como comprender el por qu del funcionamiento de un motor elctrico, as que vamos a empezar por ah y luego aadiremos lo que de particular tienen estos motores respecto al de un ventilador o un molinillo de caf por ejemplo . Ocurre que si se establece un campo magntico mediante un imn permanente o un electroimn - ste es el caso de los motores elctricos actuales - y se intercala en ese campo una espira por la que circula una corriente elctrica, dicha espira se ve obligada por las fuerzas electromagnticas a girar 90 para evitar dicha influencia, y se es el principio sobre el que se basa el

92 funcionamiento de los motores elctricos. Se trata, pues, de bobinar sobre el eje del motor - rotor - un gran nmero de espiras que sumarn sus esfuerzos para girar cuando llegue corriente a las bobinas de los electroimanes de la periferia y a las propias espiras Los extremos de las espiras se agrupan para conectarse a las delgas elementos de cobre con forma de teja dispuestas en forma de cilindro - del colector, que es una superficie cilndrica de lminas de cobre que se encuentran separadas unas de otras y que conectan con los grupos de espiras para asegurar el flujo de corriente elctrica a travs de ellas. Sobre dicho colector se apoyan las escobillas de grafito - buen conductor, que aportan la corriente elctrica a las espiras del bobinado del rotor. El motor de arranque

Lgicamente, cuantas ms espiras se agrupen y ms fuerte sea el campo magntico, ms par produce el motor elctrico, por lo que se agrupan varias espiras y se duplican las parejas de escobillas y los electroimanes perifricos. El motor de arranque transmite su movimiento al motor termodinmico mediante un sistema que se embraga cuando el 1% motor elctrico tira del otro, mientras que se desembraga cuando est en marcha el termodinmico para evitar que haga girar al elctrico mientras la motocicleta est en marcha. Adems de la perdida de potencia que esto supone, el motor elctrico acabara por destruirse en poco tiempo.

93 Bomba de agua

En los motores con refrigeracin lquida, el agua discurre por concavidades en contacto con las partes que hay que enfriar, para extraer el calor producido por el propulsor y as refrigerarlo. Pero para que el lquido se mueva hace falta impulsarlo, y eso lo realiza la bomba.

Ese es el cometido que tiene que cumplir la bomba de agua que toma el agua fra que sale del radiador por su parte ms baja y la impulsa hacia el motor para que se lleve el calor de ste. Hay que recordar que estos trminos son relativos, pues el agua que sale del radiador no est propiamente fra, pero si lo est ms que la que entra en el mismo tras pasar junto a la culata y al cilindro. Para impulsar este lquido, el conducto que trae el caudal a la bomba entra en ella por el centro - flecha azul en el grfico, y all se encuentra con una hlice como la representada en la figura que la impele hacia el exterior del crter que alberga al conjunto. Este crter ha de ser bastante angosto, dejando poco espacio entre l y la parte mvil de la bomba para as establecer una presin que haga al lquido buscar una salida. Dicho desage lo encuentra en el segundo conducto, el que sale tangencialmente de la bomba - flecha naranja - y conecta con las partes ms calientes del motor.

94

Resulta fcil comprender que la hlice, al girar, impulsa el agua hacia el exterior de la cavidad interior de la bomba, y que de este modo sale por el conducto al que se conecta el manguito por el que el lquido vuelve al propulsor tras su recorrido refrigerante. Los tres ojales representados en la figura son para fijar la bomba al motor, mientras que el eje de la hlice - en azul y cortado en la figura debe recibir el giro que hace funcionar a la bomba. Prcticamente todas las bombas se mueven gracias a la accin mecnica del propio motor, con una conexin conseguida mediante engranajes o cadena de rodillos. No obstante, hay casos en que, para evitar la extraccin o perdida de potencia que supone que el propulsor tenga que mover la hlice y vencer la resistencia del agua, se instala un motor elctrico alimentado por una batera.

95 El rel de arranque

El rel de arranque es un dispositivo elctrico que conecta la batera con el motor de arranque, a voluntad del conductor que lo maneja, mediante una corriente de baja intensidad y un interruptor. No es, en definitiva, ms que un interruptor de mando elctrico, que cierra el circuito cuando se suministra corriente al circuito de baja que alimenta al bobinado representado en la figura. Cuando el rel se arma, pone en contacto los dos polos superiores a los que se conectan los cables - de buena seccin, para dar paso a la corriente que necesita el motor de arranque para funcionar - que unen el polo positivo de la batera, un rel y otro ret, con el borne positivo del motor de arranque. El solenoide, cilindro de hierro dulce rodeado por el bobinado, se mueve como consecuencia del campo magntico generado por dicha bobina cuando el circuito de baja alimenta sta. Para ello, el bobinado se conecta por uno de los extremos al polo positivo de la batera y por el

96 El embrague

97 El embrague es el dispositivo que hace solidario el giro del cigeal con el del eje primario del cambio, permitiendo tambin que giren libres entre s para realizar los cambios de marcha y la salida desde parado. Mientras que otros tipos de motocicletas utilizan los llamados embragues multidisco en bao de aceite. Veamos cmo funciona y qu elementos lo componen. El eje primario del cambio alberga, en uno de sus extremos y en voladizo, la campana de embrague. Esta suele incluir en su permetro el engranaje primario que la hace solidaria al cigeal y gira loca sobre el eje que le da sustento. Tiene forma de vaso y su pared exterior est acanalada para albergar las pestaas de los discos forrados. De este modo, los discos provistos de forro -conductores-, giran a la vez que la campana y pueden deslizarse lateralmente dentro de sta.

En el interior de este conjunto se encuentra la masa de embrague, elemento gemelo a la campana que va fijo al eje primario e incorpora una ranura en su cara exterior que coincide con el interior de los discos de acero -conducidos-, los cuales van intercalados entre los conductores. Unos muelles se encargan de presionar el paquete completo de discos y as, mientras stos no patinen entre si, el giro del cigeal se transmite al eje primario del cambio Un dispositivo que explicaremos en otra entrega de esta seccin, el accionamiento, permite comprimir los muelles para que los discos puedan deslizarse por separado y desembragar el conjunto. Por cierto, contrariamente a lo que suele entenderse.

98 APNDICE C La relacin final de transmisin

La relacin entre el nmero de dientes del pin de salida del cambio y de la corona de la rueda trasera puede variarse fcilmente y permite adaptar la entrega de par motor y la velocidad punta a gusto del piloto.

Las cifras se obtienen calculando los distintos desarrollos mezclando los nmeros de dientes del pin de ataque (13, 14 y 15) por el de la corona de la rueda trasera (29, 30, 31 y 32). Las cifras resultantes son mayores cuanto ms largo es el desarrollo.

Desarrollos Transmisin secundaria 13 Pin De ataque 14 15 0.448 0.483 0.517 N dientes 29

Catalina 30 0.433 0.467 0.5 31 0.419 0.452 0.484 32 0.406 0.437 0.469

Por ejemplo la combinacin 15/29 es la ms larga y 13/32 la ms corta. Se puede encontrar una relacin ms larga con un pin ms pequeo y viceversa. Un

99 ejemplo concreto: la relacin 14/29 (0,483) es ms larga que la conseguida por 15/32 (0,469). El rgimen de giro del cigeal sufre transformaciones en su paso por la caja de cambio para adecuarlo a las necesidades concretas del momento. El cigeal conecta con el eje primario del cambio y sufre una primera desmultiplicacin. La propia caja de cambio se dedica exactamente a eso, con la posibilidad de elegir la magnitud de la desmultiplicacin entre tantas posibilidades como relaciones de cambio equipe la moto. Por ltimo, y este es el motivo de este trabajo, el eje secundario del cambio se conecta a la rueda trasera mediante la cadena y las ruedas dentadas de salida del cambio y de la rueda trasera. Mientras cambiar las dems desmultiplicaciones es muy complicado y hasta imposible, la relacin final se modifica con sencillez y suele ser suficiente para las necesidades normales. Se dice que una relacin es ms larga que otra cuando la velocidad final es mayor para el mismo rgimen del motor, siendo ms corta en el caso contrario. Resulta muy adecuado el ejemplo de la bicicleta para entender cundo una relacin es ms o menos larga que otra, alargndose cuando aumenta el nmero de dientes del pin de salida (equivalente a la corona de los pedales en la bici) o disminuye el de la corona (el pin trasero en el ejemplo citado) y viceversa. El mejor mtodo para decidir qu desarrollo es el ms apropiado pasa por hacer unos sencillos clculos y reflejarlos en una tabla corno la que se adjunta. El ejemplo de tabla que vez sobre estas lneas permite comentar aspectos como que no siempre es ms largo un desarrollo porque tenga mayor pin, del mismo modo que no siempre es ms corto el que ms grande tiene la corona. Adems, la precisin que permite es enorme, con diferencias de milsima; entre distintas combinaciones.

100 APNDICE D Monoshock y Precarga del muelle

En las figuras que ilustran este capitulo de nuestra seccin hemos reflejado los dos sistemas ms comunes en el amortiguador y el casi nico de la horquilla. En los amortiguadores se podr regular la precarga por pasos o escalones, o bien por rosca. El primer sistema corresponde al Monoshock delantero, solo se puede regular segn los escalones que tenga el amortiguador -. Para modificar la precaria lo normal es usar una llave de punto. La pieza en forma de jaula del amortiguador de la figura 1 - gris oscuro en el dibujo -- sirve de tope al muelle y, por el otro extremo, presenta un escalonado que apoya sobre el tope soldado al cuerpo principal del amortiguador - azul en la figura -. As, resulta fcil comprender que, dependiendo del escaln que apoye en el tope fijo, la pieza queda ms cerca o ms lejos del extremo inferior del amortiguador, y as comprime ms o menos el muelle. Se comprende que un muelle previamente comprimido ofrece ms resistencia al peso que se deposita. La figura 2 corresponde al Monoshock trasero.

101 APNDICE E Planos de diseo, todas las medidas en grados y centmetros.

Pieza 1 base del chasis, construida con perfiles de distintos tipos (acero SAE1020) y espesores, segn clculos efectuados, soldados en todo su contorno con soldadura al arco (6011).

102 Pieza 2, construida con perfiles de distintos tipos (acero SAE1020) y espesores, segn clculos efectuados, soldados en todo su contorno con soldadura al arco (6011).

103 Pieza 3, construida con tubos de 1,5mm de espesor sin costura y doblados sin arrugas (acero SAE1020) Espesores y ensamble de acuerdo a la norma (2002) internacional de rallyes. soldados en todo su contorno con soldadura al arco (6011).

104 Pieza 4, construida con tubos de 1,5mm de espesor sin costura y doblados sin arrugas (acero SAE1020) Espesores y ensamble de acuerdo a la norma (2002) internacional de rallyes, soldados en todo su contorno con soldadura al arco (6011).

105 Pieza 5, Bandeja de suspensin delantera, acero SAE1020 soldadura tig en por todos sus contornos.

106 Pieza 6, Bandeja de suspensin trasera o swingarm, acero SAE1020 soldadura tig en por todos sus contornos.

107 ngulos y medidas importantes en el ensamble del chasis tipo Spaceframed

108 APNDICE F Funcionamiento y comprobacin del frenado.

En Teora, el esfuerzo de frenado debiera distribuirse entre las ruedas delanteras y traseras en proporcin al reparto de peso en el vehculo. Para el caso anali zado, cabe sealar que las masas de mayor peso se encuentran en la parte posterior trasera del vehculo, es por esta razn que el vehculo todo terreno analizado equipa solamente frenos traseros. Esta caracterstica, ms la de no contar con sistema diferencial trasero, propiciar en el vehculo derrapes y bloqueos en las ruedas traseras, estos efectos ayudaran a detener y trazar curvas derrapando sin bloquear la direccin en el tren delantero. Sin embargo, al frenar parte del peso se descarga hacia delante siendo este absorbido por la suspensin delantera. Por otra parte el uso excesivo del sistema de frenado, ms una mala

ventilacin de este puede provocar una prdida de eficacia en el frenado, ya que el calor generado provoca cambios en las propiedades y coeficientes de friccin de los materiales en contacto. Es por esta razn que el freno ocupado en el modelo sta completamente al exterior, lo que propicia una excelente ventilacin de ste.

El tiempo que el conductor tarda en detener el coche depende del tiempo que invierte en reaccionar, as como del que tardan los frenos en reducir a cero la velocidad del coche. Durante este tiempo de reaccin (en la mayora de los conductores es de unos dos tercios de segundo), el coche recorre una distancia llamada de reaccin. La tabla muestra las distancias de reaccin y de frenado para el coche, ms la distancia para la cual el vehculo esta detenido completamente.

109

Velocidad

Distancia de reaccin

Distancia de frenado (Medida Aprox. )

20 Km/h = 5.55 ms

2m

2m

30 Km/h = 8.33 ms

3m

4,5m

50 Km/h = 13,9 ms

9m

12m

Distancias y reaccin de frenado para distintas velocidades, sobre pavimento. Usando:V 2 = 2 aX

De esta ecuacin donde V es la velocidad inicial, a es la magnitud de la desaceleracin y X es la distancia recorrida hasta detenerse.

Se tiene,

a=

Vi 2 X

2

Esta ecuacin usada para cada caso y se puede comprobar que el vehculo no patinara midiendo su desaceleracin.

Por ejemplo para el caso 3

a=

(13.9)22 12

.

110 Que resulta ser a = 8.03m . Este valor es menor que 8.76, calculado en el apndice s2

A, como condicin para evitar deslizamiento., Esto

asegura que el vehculo no

desliza al momento de frenar, como pudo ser observado en la experiencia. Como conclusin, el uso del Caliper Fiat mas su bomba y circuitos fue acertada en su eleccin, ya que al sobredimensionar la pieza , que en este caso es critica, se protege ante cualquier imprevisto. Lo negativo es el incremento de peso en el sistema que es de aproximados 2 kg.

En cuanto a los valores obtenidos son los esperados para este tipo de vehculo que frena solamente con las ruedas traseras.

111 APNDICE G Potencia del vehculo

Si una fuerza F acta sobre un cuerpo en movimiento trasnacional el la direccin del desplazamiento , como por ejemplo, el tiro de una barra de traccin de una locomotora, el trabajo realizado por unidad de tiempo es Fv, en la que v es la velocidad. Recordando la segunda Ley de Newton que establece que F=ma. Luego el trabajo realizado por la fuerza es;dw = F d r , as la potencia, es decir, el trabajo

realizado por unidad de tiempo es: P =

dw = F v dt

Ahora si la fuerza y el desplazamiento estn en la misma direccin y sentido; entonces:

P = FvP = F v[W ]

Para una aceleracin de 0 a 50 km/h en 17 segundos, que fue experimentalmente verificada en lnea recta sobre pavimento, se tiene:

m a = 0,8 2 s

Si se parte del reposo, se tiene v = at , es decir:

m v = 13,9 s

112 Adems, F = m a . Con m = 300 kg , se tiene: F = 240 N . Por lo tanto la potencia, para el vehculo y para la situacin antes descrita.

P = 240 13,9 = 3264[W ]As, la potencia neta en HP es:

P = 4.3[HP ]

Este valor es bastante menor que el que entrega el motor en su catalogo que es de aproximadamente 42 HP a 15.000 RPM. Esto significa que se dispone de potencia adicional, que podr utilizarse, si se evitan los distintos tipos de perdidas que sin duda existen. Un anlisis resumido de las posibles prdidas de potencia se har a continuacin

113

Prdidas de potencia

Para entender y justific