Diseño De La Dirección De Un Vehículo Monoplaza BAJA SAE

Introducción

El construir un vehículo Mini Baja todo terreno como proyecto de la Universidad Politécnica de Pachuca surgió a raíz de que los alumnos de la carrera de Ingeniería Automotriz querían participar en la competencia de BAJA SAE.

La competencia BAJA SAE está organizada y diseñada para estudiantes en el diseño y construcción de un vehículo todo terreno tipo buggy monoplaza y es organizada por la Society of Automotive Engineers (Sociedad de Ingenieros Automotrices, SAE). Realiza una invitación a todas las Universidades Mexicanas con jóvenes emprendedores y con ganas de poner en práctica sus conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera y así tomar nuevos desafíos.

El proyecto de realizar un vehículo todo terreno para la competencia de Mini BAJA pretende que los alumnos de la ingeniería que están involucrados en el proyecto puedan diseñarlo y construirlo en base a conocimientos de su carrera y pueda ser probado y sobrevivir en las diversas pruebas que se presenten en la competencia y será conducido sobre diversos climas y caminos extremos como rocas, lodo, tierra, pendientes pronunciadas, etc.

El vehículo tiene que estar diseñado y construido bajo ciertas normas que dispone la competencia de BAJA SAE.

La construcción del vehículo para la competencia pretende abarcar tres características especiales las cuales son que sea ligero, económico y capaz de aprobar las pruebas de diseño, capacidad, resistencia y seguridad que pone SAE.

Planteamiento del problema

Se pretende realizar la construcción de un vehículo para la competencia de BAJA SAE el cual tenga el diseño de una dirección adecuada para el vehículo.

La dirección tiene que ser diseñada para lo que el vehículo va a ser utilizado, tiene que ser capaz de soportar la variedad de pruebas y terrenos, así como maniobrable para el conductor, haciendo de está dirección especial para este vehículo.

Objetivo

Diseñar una dirección única para el vehículo que competirá en BAJA SAE.

Objetivos específicos

Realizar los cálculos de la dirección.

Obtener longitudes de bielas y barra de acoplamiento.

Obtener alfa y beta (ángulos de giro).

Antecedentes

En los primeros vehículos el accionamiento de la dirección se hacía mediante una palanca o manubrio.

Posteriormente por razones prácticas se adoptó el volante redondo que hasta hoy conocemos, además se hizo necesario darle firmeza al sistema logrando cierta irreversibilidad, sobre todo cuando las ruedas chocaban contra un objeto sólido o ante las irregularidades del camino, que repercutían con violencia sobre el timón, haciéndole perder el rumbo al vehículo con gran facilidad, con los peligros consiguientes.

Adicionalmente el mover el volante debía ser una maniobra sencilla, y suave de ejecutar por lo cual se montaron los primeros sistemas de desmultiplicación, que aumentaban la suavidad de operación del sistema.

La mezcla de estas dos características necesarias, produjo a lo largo de su evolución hasta nuestros días, sistemas más suaves, precisos y sensibles para el conductor, que debe percibir a través de él, el camino por el que transita.

Evolución del sistema

Hasta finales de los años 30, los vehículos usaban eje delantero rígido. Con este primitivo sistema bastaba con poner pivotes en los extremos del eje, para que las ruedas pudieran girar. Una simple barra sólida se encargaba de transmitir el movimiento del timón a la caja de dirección y de allí a los brazos de dirección (terminales), para finalizar el recorrido en las ruedas.

Con el paso de los años se adoptaron sistemas asistencia para la dirección.

En los últimos años se ha popularizado el sistema de dirección de cremallera, usado en los años 30 por BMW. Este tipo de dirección también puede utilizar asistencia.

En los años 40 y 50 se comenzaron a utilizar en los Estados Unidos, sistemas de asistencia de dirección, que sumados a la desmultiplicación lograda, hacían muy peligroso el conducir un vehículo, ya que la dirección quedaba demasiado suave y sensible.

Este problema motivó el desarrollo de dispositivos que endurecieran la dirección, a medida que aumentaba la velocidad de desplazamiento del vehículo.

SAE México

La ingeniería Automotriz no tiene fronteras

La industria automotriz mexicana existía únicamente como ensambladora en el momento en el que Harry Chesebrough expreso que la industria automotriz no debía tener fronteras nacionales. Por esto el verdadero desarrollo en nuestro país se inició con el decreto presidencial del 23 de agosto de 1962, en el cual se prevé la importancia de motores para automóviles y camiones.

La industria automotriz mexicana se enfrentó a retos muy grandes: de ser un grupo de ensambladores rudimentarios, a convertirse en un sector tecnificado de altura internacional; de ser una usuaria de 1480 millones de pesos en divisas, en 1960 a convertirse en la segunda generadora de divisas del país, después de la industria petrolera.

Dos años para el cumplimiento del Decreto de 1962 a 1964 debía lograrse la integración nacional de partes. La recién creada industria no cantaba con la maquinaria y un equipo sofisticada para producir. Tampoco existía el personal capacitado para lograr el monumental proyecto. Se procedió a adaptar las maquinas convencionales y se utilizaron sistemas de manejo de materias poco automatizadas el rendimiento era bajo.

Las empresas terminales del país se dan a la tarea de contratar egresados de las diferentes universidades para capacitarlos en el campo de la tecnología y de la administración. A los jóvenes profesionistas se les abre la posibilidad de proyectarse, no únicamente dentro de la industria automotriz mexicana, sino también en el mercado internacional.

Las plantas fabricantes de automóviles, en plena expansión, abren instalaciones en la periferia de la ciudad:

Ford Motor Company, por su parte, pone en marcha su planta de Cuautitlán, el 4 de noviembre de 1964.

Fábricas Automex, S. A. (Ahora Chrysler) establece todo un complejo industrial en Toluca sobre un terreno de 870000 metros cuadrados. La planta ensambladora fue inaugurada el 9 de diciembre de 1964.

En mayo de 1965, General Motors inaugura su fábrica de motores en Toluca. La joven industria mexicana inicia este año producciones anuales de 90 mil unidades. También se crea la estandarización de componentes, pues el tamaño del mercado interno hace incosteable la fabricación de partes específicas para cada planta.

La Fundación de SAE México

Pero para llegar a este punto se tiene una historia, los fabricantes de automóviles deberían fijar su atención en el desarrollo tecnológico en el mundo, por lo tanto, la opción inmediata era el país vecino y directamente la Sociedad de Ingenieros Automotrices.

En 1962 el ingeniero Raúl Alcaraz gerente de Sun Electric invita a Jesús Torres Moncayo, subjefe de mantenimiento de FAM, a un desayuno en el Hotel Reforma ahí debía celebrarse la junta anual de SAE. Torres Moncayo aprovecha la oportunidad para abordar el tema de crear la Sección SAE México. Tiempo después Joseph Gilbert, secretario de SAE, envía una nota manifestando profundo interés por conocer el número de miembros en nuestro país.

Pero el ingeniero Torres Mocayo tuvo el fuerte apoyo de Robert Gazke, Paul Walasky y Joseph Gilbert representantes de SAE Estados Unidos en México.

Después de 18 meses de actividades, en la reunión anual de Detroit, SAE concede a México su autonomía. La sociedad queda integrada con 50 socios. En la mesa directiva: William Webber, presidente; Paul Walasky, tesorero; Torres Moncayo, secretario. Para principios de 1965 el número de actividades de SAE México se incrementa y con ello el número de asociados llega a 180. A los 6 meses SAE posee la categoría de sección, este año Jesús Torres Moncayo es electo presidente de la mesa directiva en la presidencia. Guillermo Reynoso es el primer presidente de la sección de auto partes.

Capítulo 1

1.1 Un Sistema de Dirección

El conjunto de mecanismos que componen el sistema de dirección tienen la misión de orientar las ruedas delanteras para que el vehículo tome la trayectoria deseada por el conductor.

Para que el conductor no tenga que realizar esfuerzo en la orientación de las ruedas, el vehículo dispone de un mecanismo desmultiplicador.

1.2 Propiedades de una Dirección

Siendo la dirección uno de los órganos más importantes en el vehículo junto con el sistema de frenos, ya que de estos elementos depende la seguridad de las personas; debe reunir una serie de cualidades que proporcionan al conductor, la seguridad y comodidad necesaria en la conducción. Estas cualidades son las siguientes:

Seguridad: depende de la fiabilidad del mecanismo, de la calidad de los materiales empleados y del entretenimiento adecuado.

Suavidad: se consigue con un montaje preciso, una desmultiplicación adecuada y un perfecto engrase. La dureza en la conducción hace que ésta sea desagradable, a veces difícil y siempre fatigosa.

Precisión: se consigue haciendo que la dirección no sea muy dura ni muy suave. Si la dirección es muy dura por un excesivo ataque (mal reglaje) o pequeña desmultiplicación (inadecuada), la conducción se hace fatigosa e imprecisa; por el contrario, si es muy suave, por causa de una desmultiplicación grande, el conductor no siente la dirección y el vehículo sigue una trayectoria imprecisa.

1.3 Elementos para esta dirección

Para el diseño de la dirección hay dos elementos fundamentales que hay que conocer, su colocación y su diseño son los que van a determinar el ángulo de giro para nuestro vehículo, y estos son: la barra de acoplamiento y las bielas de dirección.

1.3.1 Barra de acoplamiento

Es la que transmite el movimiento circular en movimiento longitudinal para mover las ruedas a través de las bielas.

1.3.2 Biela de dirección

Transmite el movimiento longitudinal de la barra de acoplamiento hacia las ruedas, para ir en la dirección que el conductor desea.

Capítulo 2

2.1 Principio de Ackerman

El principio de Ackerman enuncia que cuando un vehículo gira en una curva, los ejes de todas las ruedas deben concurrir en un punto, el centro instantáneo de rotación. La mangueta de la rueda interior debe de girar un ángulo mayor que la de la rueda exterior, luego se precisa una divergencia de las ruedas delanteras cuando se toman las curvas para evitar el desgaste de las cubiertas y evitar el deslizamiento. Con el mecanismo, anteriormente mencionado, conseguimos una geometría óptima para la dirección. Para seguir este principio se hace que el ángulo de giro de la rueda interior sea mayor que la exterior, como en la figura.

Figura 2.1

2.2 Cuadrilátero de Ackerman

La diferencia de giro de las ruedas, el hecho de que una rueda pueda girar más que otra y que además sea progresiva está según el ángulo girado con el volante, se pueden dar debido a la construcción formada por los brazos de acoplamiento, barra de acoplamiento y uniones de los brazos con las manguetas. Todo ello forma un cuadrilátero A, B, C, D, cuadrilátero de Ackerman, su inventor. Figura 2.2.

Figura 2.2

La barra de acoplamiento es regulable, pudiendo aumentar o disminuir el lado menor del cuadrilátero expresado, aumentado o disminuyendo también la convergencia en las ruedas. Al mover con el volante de dirección la barra de acoplamiento hacia un lado o hacia el otro, los ángulos alfa y beta, varían; de forma que las ruedas interior y exterior a la curva giren los ángulos convenientes, más ángulo la interior, y que además la diferencia sea igual en los dos giros.

La longitud adecuada de la barra de acoplamiento consigue la cota de convergencia o divergencia dada por el fabricante, que es lo que se mide. La longitud adecuada es la que hace coincidir las prolongaciones de los brazos de acoplamiento que forman el cuadrilátero A, B, C, D, con el centro O del eje trasero en su corte con el eje de simetría del vehículo figura 2.3. Como es lógico tiene influencia la batalla o distancia entre ejes.

Si por construcción del vehículo la barra de acoplamiento se encontrase por delante de su eje delantero, en el lado opuesto de la figura 2.3, la distancia T de la barra de acoplamiento sería mayor que en el caso opuesto. Siempre que los brazos de acoplamiento, sus prolongaciones, coincidan con el punto O, en el eje trasero del vehículo.

Figura 2.3

2.3 Geometría de Ackerman

En la figura 2.4 vemos una geometría normal de Ackerman en cuanto a la prolongación de los brazos de acoplamiento sobre el eje trasero. Con ésta construcción, la rueda del interior de la curva gira más que la rueda exterior, lo que conviene para el menor radio que emplea. Si la prolongación de los brazos de acoplamiento se cortan por detrás del eje trasero, el ángulo deriva disminuye y el vehículo es subvirado, lo que conviene para vehículos con poca carga, vehículos de carreras que giran menos la dirección.

Figura 2.4

2.4 Ángulo de giro

Cuando los giros de las ruedas no son los marcados por el fabricante, se produce un resbalamiento, o deslizamiento del vehículo. Se reduce el radio de giro total y la dirección resulta errática e inestable en las curvas. Pueden existir deformaciones en el brazo de dirección. Es necesario comprobar el estado de los neumáticos, y del eje delantero en general antes de comprobar los giros a 20° y las diferencias a un lado y a otro. (Fig. 2.5 y 2.6).En esta última figura se ve como el ángulo que gira la rueda exterior, 20°, es distinto al girado por la rueda exterior.

Figura 2.5

Figura 2.6

2.5 Radio de viraje

Se define como radio de viraje el menor arco se puede describir una rueda en una curva. Cuando un vehículo toma una curva, cada rueda describe un arco con radio distinto y eje de giro común O, Fig. 2.7. El eje de giro está situado en la prolongación del eje trasero y es el del arco de la curva al mismo tiempo. Las ruedas delanteras describen arcos no concéntricos, puesto que están situadas en el mismo eje situado de forma transversal a la carretera. La diferencia de giro será mayor cuanto mayor sea la vía E, o distancia entre ruedas. Por lo tanto, lo exterior gira a un ángulo beta y la interior un ángulo alfa, mayor. La distancia entre ejes, batalla, determina la necesidad de giro de las ruedas: cuanto mayor sea la batalla, mayor giro deberán dar las ruedas y por lo tanto más maniobrabilidad tendrá el vehículo.

Las ruedas traseras toman la curva describiendo ángulos concéntricos, por lo que describen iguales trayectorias aunque con diferentes recorridos. En algunos vehículos existe un ligero desplazamiento angular para mejorar su adaptación al dar la curva.

La comprobación de radio de viraje se hace situando el vehículo con las ruedas sobre una plataforma graduada y comprobando las diferencias a un lado y a otro, que deben ser iguales.

Figura 2.7

Capítulo 3

3.1 Trazado de la dirección

Obteniendo gráficamente, los ángulos de giro,  y  que hacen que las perpendiculares a la proyección de las ruedas se corten en la prolongación del eje trasero, como se observa en la figura, permite deducir la relación que ha de existir, teóricamente entre ellos, en función de la distancia entre ejes (L) y la distancia entre pivotes (a).

tg α=L/OC tg β=L/OD

OC/L=1/(tg α) OD/L=1/(tg β)

(OC-OD)/L=a/L

a/L=1/(tg α)-1/(tg β)

a/L=cot⁡〖α-cot⁡β 〗……………(Ecu 3.1)

De acuerdo al gráfico podemos obtener:

a = 1.16 m

L = 1.15 m

 = 28.36°

 = 49.84°

Sustituyendo en la Ecuación 3.1:

1.16/1.15=cot⁡〖28.36-cot⁡49.84 〗

1.008= -0.87

Esta relación del largo y ancho del vehículo con los ángulos  y  es solo para una primera comprobación en el método gráfico y no esté tan fuera de contexto este método.

El trazado anterior se puede sustituir por el de la figura siguiente, al demostrarse que los ángulos  y, del triángulo AEB, son los del giro de las ruedas directrices.

3.2 Proceso de cálculo de la geometría de la dirección.

Para la definición de la geometría del conjunto de dirección, tradicionalmente se realizó de forma gráfica.

3.2.1 Deducción de las ecuaciones básicas

Los datos son:

L = 1.15 m Distancia entre ejes

v = 0.35 m Voladizo delantero

a = 1.16 m Distancia entre pivotes de giro

b = 1.16 m Ancho del vehículo

3.2.1.1 Obteniendo  mínimo

Ángulo mínimo de giro, para que el vehículo pueda inscribirse en una corona de radio exterior R e interior R’.

R = 2.605 m

R’ = 0.63 m

De la figura:

e= √(c^2+v^2 ) tg Ω=c⁄v sen φ=(L+v)/12.5

Sabiendo que no tenemos voladizo lateral por lo tanto c=0, obtenemos:

e=0.35 m Ω=0 φ=35.15

Del triángulo ABC aplicamos ley de senos y cosenos para obtener  mínimo.

f=√(e^2+R^2-2∙e∙R cos⁡〖(90-(Ω+φ))〗 )

f=2.42 m

...