DISEÑO Y MANUFACTURA DE UN CHASIS PARA UN VEHÍCULO DE COMPETENCIA TIPO SUPERCROSSCAR
Pauls OrozcoApuntes14 de Junio de 2021
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DISEÑO Y MANUFACTURA DE UN CHASIS PARA UN VEHÍCULO DE COMPETENCIA TIPO SUPERCROSSCAR
Juan Márquez Flores[1], Jonatan Pozo Palacios[2], Francis Loayza Paredes[3], Cristian García García 4
Resumen | Abstract |
El presente proyecto tiene por objeto el diseño y manufactura de un chasis tubular para un vehículo de competición tipo Supercrosscar que garantice la seguridad y confort del conductor. En una primera fase se modela una estructura tubular de acuerdo a reglamentación internacional, para posteriormente realizar el análisis estructural estático mediante cargas de impacto longitudinal, transversal y vertical. Para el modelado se utiliza el software de diseño asistido por computadora SolidWorks y para el análisis estructural se emplea el software de Ingeniería Asistida por Computador ANSYS 14.5. Para la verificación del modelo hace uso del reglamento que establece normas para el análisis del chasis. Culminados los ensayos se determina que los esfuerzos y deformaciones máximas de la estructura no superan los límites del material, por lo que se valida la estructura para su construcción. Palabras Clave: Análisis estructural, chasis tubular, diseño, elementos finitos, manufactura, supercrosscar. | Redactar aquí el resumen en inglés con las mismas especificaciones del formato descrito en resumen. ……………. Keywords: Structural analysis, tubular chassis, design, finite element, manufacture, supercrosscar. |
Introducción
El chasis es uno de los elementos más importantes del vehículo ya que es el encargado de alojar a los diferentes sistemas del automotor, así como de proteger a los ocupantes frente a una colisión. Es por esto, que el diseño debe ser lo más seguro para responder positivamente ante un posible impacto.
Un supercrosscar es un vehículo que usa un motor central de motocicleta y la carrocería puede ser tanto de chapa metálica como de fibra de vidrio o de carbono. [a]En ambos casos el chasis tubular debe brindar los parámetros necesarios para que la estructura sea confiable para el piloto, esto se consigue de acuerdo a normas internacionales de la F.I.A. (Federación Internacional de Automovilismo) y de la R.F.E.d.A. (Real Federación Española de Automovilismo). [b]
Reglamentación
La R.F.E.d.A. establece un conjunto de leyes o normas necesarias para el diseño y construcción de un vehículo tipo supercrosscar. Algunos términos y recomendaciones se presentan brevemente a continuación: [1]
Batalla.- La batalla máxima deberá ser de 2000 mm.
Longitud.- La longitud máxima del vehículo no podrá sobrepasar los 4000 mm.
Anchura.- La anchura exterior máxima de la carrocería del vehículo no podrá sobrepasar los 1750 mm.
Peso.- En condiciones de carrera sin piloto, la normativa establece los siguientes datos definidos en la Tabla 1.
Tabla 1. Cilindrada / peso del vehículo. [1]
Cilindrada (cm3) | Máximo peso (Kg) Para vehículos con 1 motor |
Hasta 1000 | 450 |
De 1001 a 1500 | 520 |
De 1501 a 2000 | 580 |
Estructura de seguridad
- Material y consideraciones
El material de los tubos debe ser:
- Acero al carbono no aleado estirado en frio y sin soldadura,
- Con un contenido máximo de 0,3% de carbono,
- De una resistencia mínima a la tracción de 350 N/mm2
Al seleccionar el acero, debe prestarse atención a la obtención de buenas propiedades de elongación y adecuadas características de soldabilidad.
- Dimensiones del tubo
En la Tabla 2, se muestran los datos que se utilizan para el diseño de la estructura de seguridad o jaula antivuelco.
Tabla 2. Dimensiones del tubo para la jaula antivuelco.[c] [1]
Dimensiones mínimas (mm) | Utilización | |
Preferiblemente 45 x 2.5 o en su defecto 50 x 2.0 | Arco principal, arco lateral y su conexión trasera según la construcción | [pic 1] |
38 x 2.5 o 40 x 2.0 | Otras partes de la estructura. | [pic 2] |
Ensayos establecidos por el reglamento
El reglamento técnico y de homologación de la R.F.E.d.A, expone que para verificar la estructura, se deberán realizar los análisis de acuerdo a las siguientes solicitaciones:
a). Resistir dos veces el peso del vehículo lateralmente.
b). Resistir seis veces el peso del vehículo longitudinalmente en ambos sentidos.
c). Resistir ocho veces el peso del vehículo verticalmente.
3. Diseño del chasis tubular
3.1 Parámetros de diseño
El proceso de diseño de un chasis tubular con base en lo determinado en el reglamento, establece ciertas condiciones de seguridad, confiabilidad y confort adecuadas para el piloto. Se debe cambiar varias veces la geometría del prototipo en la etapa de diseño, hasta poder lograr las metas deseadas, por ello es primordial utilizar la ayuda de los diferentes programas CAD y CAE. Todo prototipo destinado para un tipo de competición tiene sus propias características geométricas comunes, es necesario tomar en cuenta estas características como parámetros principales de diseño.
3.1.1. Triangulación
El triángulo es el único polígono que no se deforma cuando actúa sobre él una fuerza, por lo que brinda una gran rigidez y estabilidad a una estructura.
Al aplicar una fuerza de compresión sobre cualquiera de los vértices de un triángulo formado por tres miembros estructurales, automáticamente dos elementos que parten de dicho vértice quedan sometidos a dicha fuerza de compresión, mientras que el tercer elemento quedará sometida a un esfuerzo de tracción. Cualquier otra forma geométrica que adopten los elementos de una estructura no será rígida o estable hasta que no se triangule. [2]
La deformación debida a esfuerzo axial es mucho menor, en órdenes de magnitud, que la debida a momentos flectores y torsores. Por eso es preferible que se hagan trabajar las barras a esfuerzo axial antes que a momento flector y/o momento torsor. Esto se consigue con las estructuras triangularizadas. En cuanto al tipo de esfuerzo axial, es preferible la tracción a la compresión para evitar problemas de pandeo. [3]
3.1.2. Criterios de espacio
Lo más importante que se debe tener en cuenta respecto al espacio es la evacuación del piloto en caso de accidente, así como la previa evaluación de su confort dentro del vehículo, siempre que se garantice una relativa comodidad en la conducción. Por ello, en cuanto al diseño, se tendrá en cuenta lo siguiente: [4]
- Se debe garantizar la facilidad de acceso a los distintos elementos para tareas de mantenimiento.
- La estructura no debe inferir con el conductor en los movimientos que este realice.
- En los pedales se debe garantizar el espacio suficiente para poder manejarlos con relativa facilidad.
En el diseño del chasis y para determinar las necesidades de espacio que va a tener el mismo, vamos a tomar en cuenta la regla del percentil 95. El percentil 95 quiere decir que el 95% de los hombres es de tamaño menor que este modelo y que solo el 5% es mayor.
3.1.3. Rigidez Torsional
En ingeniería, la rigidez es la capacidad de un elemento estructural para soportar esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones o desplazamientos. Por lo tanto se puede decir que la rigidez torsional de una estructura es la capacidad que tiene la estructura o el miembro para oponerse a la deformación. Esta viene expresada en para grado de deformación ().[pic 3][pic 4]
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