INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y
ELCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL CULHUACAN
VALIDACIN DE COMPONENTES PARA UNA
SUSPENSIN NEUMTICA EN UN VEHCULO UTILITARIO
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECNICO
P R E S E N T A:
ALEXIS PIMENTEL FLORES
MXICO D.F.
2007
AGRADECIMIENTOS
A DIOS, sobre todas las cosas, que me permiti realizar este trabajo
rodeado de mi familia y amigos.
A MI FAMILIA, quienes siempre me han apoyado en toda mi vida
brindndom e su amor y cario.
ING. JOS LUIS GARCA LOZANO, porque observo que una semilla de
aprendizaje cay al suelo, dedicndole tiempo, trabajo y esfuerzo se esmero para
ING. ANDRS RAL LPEZ Y RODRGUEZ,
por dar una palabra de
ING DALIA RUIZ DOMNGUEZ, por ensearme que las nicas barreras
AL INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL, que me brindo todas las
A MIS AMIGOS, que con cada granito de apoyo me alentaron a seguir
DEDICATORIAS
A DIOS, POR AYUDARME A SER.
A MI PAP, SEVERINO EFRAIN PIMENTEL CARRASCO, QUIEN ME
ENSE QUE SOLO EL TRABAJO DE UN HOMBRE DE BIEN PUEDE FORJAR
A MI MAM, MARIA RITA FLORES PEREZ, QUIEN SIEMPRE HA SIDO
LUZ, AMOR Y COMPRENSIN EN MI VIDA.
A MI HERMANO, MARX PIMENTEL FLORES, POR SER MI AMIGO A
TODO MOMENTO.
Ahora hemos de trabajar, ya descansaremos en el paraso
ndice
Introduccin
Introduccin
En estos das el entorno tecnolgico que nos rodea evoluciona constantemente,
Un automvil es una herramienta actual que es mejorada gracias a los avances de
Los ingenieros, encargados de desarrollar autom viles, como parte de la historia,
El uso familiar, recreativo y/o utilitario son algunas de las condiciones en las
El uso de una suspensin verstil desemboca a un mayor confort en la marcha,
Es el caso de los programas de Elemento Finito, se observa que han evolucionado
El objetivo de esta investigacin es obtener un modelo de elemento finito de la
El incremento del confort en la marcha, la capacidad de modificar la posicin del
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Capitulo I. Suspensiones y sus Conceptos
1.1 Funcin Que es una suspensin?
Amortiguadores
Candados
Tope
Fig. 1-1 Componentes comunes
Eje cardan
Abrazadera
Paquete de resortes
del paquete
de resortes
Di
Fig. 1-2 Componentes comunes
Conjunto Mcpherson
Disco de freno
Rtula
Eje palier
Barra estabilizadora
Horquilla
1
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
1.2 Componentes tpicos de la suspensin
Debido a la gran diversidad de componentes que componen una suspensin, slo se darn a conocer las caractersticas especficas de los elementos ms
1.2.1 Resortes
Resortes de acero
Los resortes son los elem entos hechos de acero, que gracias a su elasticidad
tienen por finalidad absorber las irregularidades que se presentan en la marcha. Son sometidos a fuerzas de tensin y compresin. Existen tres tipos:
Resortes helicoidales: Como su nombre lo dice, se encuentran formados por una barra redonda, la cual forma un determinado nmero de espiras. Tienen la
Resorte de bobina
Resorte con extremos
planos
Fig. 1-3 Resortes Helicoidales
Resortes de hojas: Las barras helicoidales, o muelles, son resortes planos que
tiene un r adio muy grande, formados de hojas de acero y que tambin
2
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Conjunto automvil
Conjunto camin con
hojas de sobrecarga
Fig. 1-4 Barras Helicoidales
Barras de torsin: Son barras redondas o planas de acero reforzado que absorben la energa al pasar por un bache "retorcindose", es decir , trabajando
Figura 1-5 Barra de torsin
carga viva, y su comportamiento es generalmente lineal. La ecuacin (E1)
dG
fD
=
(E1)
02
9 nt
En donde:
= densidad del m aterial
Resortes de aire
Son dispositivos mecnicos que usan aire, o gas de propiedades similares,
confinado en una cmara para absorber impactos y movimientos. Comnmente
3
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
construidos de hule de alta resistencia que proporcionan un sostn similar a los resortes de acero. Debido a las diferentes for mas, estilos y rangos de carga
Mltiple
Elemento con volumen de gas
Figura 1-6 Resortes Neumticos
La frecuencia natural de todos estos resortes se mantiene constante
independientemente de la carga del vehculo. Sus caractersticas dependen del
1
PS
f mL
=
(E2)
p
0
2a
En donde:
= constante adiabtica del gas empleado
4
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Resortes Hidroneumticos
Es un conjunto resorte amortiguador el cual se utiliza para mantener una
altura constante en el vehculo. Consiste en dos cmaras separ adas por un
Resorte Hidroneumtico con masa de gas
Acumulador
Figura 1-7 Sistemas Hidroneumticos
En este caso la frecuencia natural del sistema se incrementa con la carga. Sus
caractersticas son progresivas y depende de la carga inicial en el depsito. La
F
2
KPV
=
(E3)
oo
En donde:
= constante adiabtica del gas empleado
5
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Resortes por Cubierta
Son resortes vulcanizados que regular mente trabajan a compresin entre el
metal y los componentes del motor, tambin son usados en conexiones de suspensin y como resortes auxiliares. La frecuencia natural esta afectada por la carga mientras que su comportamiento es no lineal. La Figura 1-8 presenta dos tipos diferentes de configuraciones para resortes por cubierta.
Figura 1-8 Resortes por cubierta.
Estabilizadores
Son barras de acero que conectan a las dos ruedas del mismo eje que a su vez
se unen a la carrocera. Su misin primordial es controlar el balanceo del auto
Figura 1-9 Estabilizador
1.2.2 Amortiguadores
La funcin del amortiguador es contr olar las oscilaciones que se generan en la
suspensin y carrocera, transformando la energa que almacena el resorte en
Amortiguador de tubo sencillo
Un pistn unido a la carrocera a travs de un vstago de fijacin se desliza en
6
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
dos partes en que queda dividido el cilindr o, frenando as la oscilacin de la
1.- Presin atmosfrica
2.- Vlvula liberadora (resorte suave)
3.- Vlvula liberadora (resorte duro)
4.- Vlvulas de No-retorno
Figura 1-10 Amortiguador de tubo sencillo.
Ventajas: Fcil instalacin en mltiples aplicaciones; el uso de tubos largos
Desventajas: La pared del tubo exterior (gua principal) es susceptible a daos
Amortiguador de tubo doble
Este tipo de amortiguador tambin se encuentra disponible con presin
atmosfrica o cmara doble de baja presin. La Figura 1-11 muestra la
7
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
1.- Presin atmosfrica
2.- Cmara de reserva
3.- Vlvula base
Figura 1-11 Amortiguador de tubo doble.
Ventajas: Insensible a los golpes por objetos extraos; el tubo puede ser
adaptado y ajustado en lugares con poco espacio disponible. El amortiguador
Desventajas: Este tipo de amortiguadores son sensibles a la sobrecarga
(detencin de amortiguamiento) adems que las posiciones de funcionamiento
1.2.3 Caractersticas de Amortiguamiento
Las caractersticas de amortiguamiento son el resultado del cmulo de
Amortiguadores electrnicamente ajustados y controlados, son usados con el
La ley de control de un amortiguador dicta que: la velocidad del
8
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
1.- Confort
2.- Standard
3.- Sport
Velocidad de Amortiguamiento
Figura 1-12 Curvas de amortiguamiento (modos de rebote)
1.2.4 Absorbedores de Vibracin
Absorbedores de vibracin son masas suplem entarias que proveen
1.- Con absorbedor
2.- Sin absorbedor
a1 Amplitud de 1
h Amplitud de Excitacin
Frecuencia caracterstica
Figura 1-13 Amplificacin de la funcin aceleracin en un eje
.
9
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
a) Instalacin en un Vehculo
1.- Resorte y Amortiguador
2.- Masa de amortiguacin
3.- Masa de la rueda
4.- Resorte de rueda
Figura 1-14 Diagrama de la instalacin en un vehculo.
b) Sistema mecnico equivalente
1.- Resorte y Amortiguador
2.- Masa de amortiguacin
3.- Masa de la rueda
4.- Resorte de rueda
Figura 1-15 Sistema mecnico equivalente.
La Figura 1-16 muestra el ensamble todo en uno, con un resorte progresivo,
10
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Vlvula de ajuste de amortiguamiento
Montaje superior
Carcasa del pistn
Resorte progr esivo
Plato ajustable para resorte
Montaje inferior
Figura 1-16 Unidad Resorte y Amortiguador ajustables.
1.3 Clasificacin de las suspensiones
De acuerdo a la disposicin de los ejes y travesaos transversales, se tiene la
Suspensin de eje rgido
Se caracteriza por que ambas ruedas estn unidas por un elemento rgido al eje comn, puede ser concntrico, las trepidaciones de una rueda se transmiten a
Figura 1-17 Eje Rgido
Es usado comnmente en los ejes traseros y al frente solo con autos de
Eje rgido con barra helicoidales
11
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
side) de deformacin lateral y torsin, son susceptibles a fallar. La Figura 1-18 representa un eje rgido soportado por barras helicoidales.
Figura 18 Eje Rgido con barras helicoidales.
Eje Rgido con brazos A , unin Watt y barras Panhard
Como ventajas, este tipo de configuraciones no presentan deslizamiento lateral
Brazos de arrastre
Soporte A
Figura 1-19 Suspensin con Brazo A (izq.) y Unin Watt (der.).
Suspensin independiente
Se caracteriza principalmente porque cada rueda tiene su propio eje y por consiguiente su propio sistema de suspensin, por lo tanto, las trepidaciones y
Figura 1-20 Suspensin independiente.
En tanto un automvil puede tener una combinacin de dichos sistemas:
12
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Suspensin independiente en las 4 ruedas (sedanes, SUV y Camiones
de pasajeros).
Suspensin rgida en las 4 ruedas (todo terreno, y utilitarios de carga y
trabajo pesado).
Suspensin independiente en las ruedas delanteras y rgidas en las
traseras (utilitarios de trabajo ligero). [3]
1.4 Suspensiones Frontales
1.4.1 Sistemas dependientes
Las suspensiones frontales dependientes se llaman as puesto que los
Vibracin anormal: Por el hecho de encontrarse conectados fsicamente,
las oscilaciones que se presenten en una de las ruedas, son transferidas
Peso: Los ejes rgidos son de mayor peso; adems que los resortes
necesarios para mantener las r uedas en el camino debern ser ms
Alineacin: Es comn que la alineacin en los ejes rgidos venga
ajustada por el fabricante, pero, en el momento que la viga se
1.4.2 Sistemas independientes
Los sistemas independientes son llamados as debido a que las ruedas no se encuentran unidas una con otra (excepto cuando se encuentran unidas por la
Sistemas Mc Pherson
Es sin duda una de las configuraciones ms usadas en toda la industria
13
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
directamente con la horquilla en este caso, cuando una fuerza es aplicada, la horquilla se tuerce obteniendo por consecuencia un giro en el conjunto
Figura 1-21 Suspensin Mc Pherson.
Sistemas con doble brazo de control
Se tienen diversas variantes de estos sistemas:
Este sistema consta de dos brazos de control, en donde la rueda gira y la
Sistema con resorte helicoidal tipo 1
Figura 1-22 Doble brazo de control tipo 1
14
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Sistema con resorte helicoidal tipo 2
Figura 1-23 Doble brazo de control tipo 2.
Sistema Multi-Link
Figura 1-24 Sistema Multi-link
15
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Sistema con brazo de arrastre
El sistema es un brazo de suspensin unido
Figura 1-25 Brazo de Arrastre
Sistema con soportes Moulton
El Dr. Alex Moulton dise este sistema basndose en la compresin de una
Figura 1-26 Sistema Moulton.
1.5 Suspensiones traseras
1.5.1 Sistemas dependientes
Opuesto a las suspensiones frontales antes mostradas, estos sistemas
16
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Eje rgido con resortes de hojas
El sistema con eje rgido soportado por barras helicoidales,
Figura 1-27 Eje rgido con resortes de hojas.
Eje rgido con resortes helicoidales
Como variacin y actualizacin del sistema descrito anteriormente, el funcionamiento bsico es el mismo, pero ahora las barras helicoidales han sido
Figura 1-28 Eje rgido con resortes helicoidales.
17
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Eje slido, tipo viga
Este sistema es usado regularm ente por automviles de traccin delantera, en
Figura 1-29 Eje slido tipo viga.
Sistema de cuatro bar ras
La suspensin de cuatro barras puede usarse en los ejes frontal o trasero de
18
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
principio, la diferencia son las barras superiores que mantienen al eje mas cerca del centro.
a) Sistema Paralelo
b) Sistema Triangulado
Figura 1-30 Sistemas de cuatro Barras.
Suspensin Hidroelstica
En este caso la suspensin frontal y trasera tienen unidades
Figura 1-30 Suspensin Hidroelstica.
19
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Suspensin Hidrogas
Hidrogas es una evolucin de hidroelstica, esencialmente la instalacin es la misma y la diferencia radica en la unidad de desplazamiento, ya que el soporte
Gas Nitrgeno
Diafragma
Fluido
Vlvula de
Tubo de
Diafragma
Desplazador
Desplazador
Figura 1-31 Suspensin Hidrogas
Suspensin Hidroneumtica
Desde finales de los 40s Citron se ha desarrollado sobre un sistema de suspensin diferente del resto de la industria automotriz. Este sistema es
20
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Estado descomprimido Estado comprimido
Tubo hacia la
Pistn conectado al
Figura 1-32 Suspensin Hidroneumtica.
1.6 Alineacin de ruedas
Descripcin
La alineacin de ruedas de un vehculo es el ajuste correcto de todos los ngulos interrelacionados de la suspensin trasera y delantera. Estos ngulos
21
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Parte delanter a
Parte trasera
Alabeo
Alabeo
Oblicuidad
Oblicuidad
Para realizar los ajustes necesarios para cada unidad primero se debe verificar la alineacin de ruedas y realizando todos los ajustes de alineacin con el vehculo
Alabeo
El alabeo es la inclinacin hacia
Figura 1-33 Alabeo.
1 - Ruedas inclinadas hacia afuera en la parte superior
2 - Ruedas inclinadas hacia adentro en la parte superior
22
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
El alabeo transversal es la diferencia entre el alabeo izquierdo y el derecho.
Alabeo transversal
Avance de pivote
La inclinacin hacia adelante
(articulacin de rtula superior
La inclinacin hacia atrs
(articulacin de rtula superior
Figura 1-34 Avance de pivote.
Si bien el avance del pivote no afecta al desgaste de los neum ticos, un desequilibrio del mismo entre las dos ruedas delanteras puede resultar en que
Avance de pivote transversal
El avance de pivote transversal es la diferencia entre el avance de pivote
Oblicuidad
La oblicuidad es el ngulo hacia afuera o hacia adentro de las ruedas vistas
23
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
La convergencia se produce cuando los
bordes delanteros de las ruedas sobre el
La divergencia se produce cuando los
bordes delanteros de las ruedas sobre el mismo eje estn ms alejados entre s
La convergencia y la divergencia pueden
Figura 1-35 Oblicuidad.
1 Convergencia
Divergencia en los giros
La divergencia en los giros es el posicionamiento relativo de las ruedas
Patrn de oblicuidad
El patrn de oblicuidad dinmico es el movimiento convergente o divergente de
24
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
mientras est en movimiento. Este patrn, delantero y trasero, se fija previamente en la fbrica durante el montaje del vehculo.
No es necesario verificar o
Figura 1-36 Divergencia de giros.
lnea que pasa por el centro de la articulacin de rtula superior (o el
1 S.A.I. (Inclinacin del rbol direccional)
(Incluided Angle por sus siglas en Ingles)
Figura 1-37 S.A.I (Inclinacin del rbol de direccin) e
25
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
El ngulo incluido es la suma del ngulo de S.A.I. ms o menos el ngulo de alabeo, dependiendo de si las ruedas tienen alabeo positivo o negativo. Ver
Angulo de empuje
El ngulo de empuje es la direccin promediada hacia donde apuntan las ruedas traseras en relacin a la lnea central del vehculo. Ver Figura 1-38. La
El ngulo de empuje negativo significa que el seguimiento de los
neumticos traseros se desva a la izquierda de los neumticos
El ngulo de empuje positivo significa que el seguimiento de los
neumticos traseros se desva a la derecha de los neumticos
El seguimiento incorrecto puede producir un desgaste indebido de los
Figura 1-38 Angulo de empuje.
26
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Capitulo 2. Carroceras Vehiculares
Carrocera es la estructura o esqueleto del vehculo, encargada de soportar el resto de los rganos mecnicos que lo componen. Ademas de sostener el peso
2.1 Carrocera monocasco (auto soportada)
Las carroceras monocasco, en su mayora son construidas por paneles de hoja de metal soldado, dichos paneles fueron creados por robots
Figura 2-1 Carrocera o monocasco.
1-Travesao debajo de parabrisas 2-Estructura frontal del techo 10-Travesao debajo del asiento
27
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Debido a que las carroceras estarn sometidas a posibles deformaciones ocasionadas por un accidente, y atendiendo a la seguridad de los ocupantes, Rigidez
La rigidez torsional y a flexin, debern ser los ms altas posibles, en orden de
Caractersticas de vibracin
Las vibraciones en la carr ocera, as como tambin en los componentes
Integridad operacional
Los esfuerzos alternantes afectan considerablemente a la carrocera cuando es
Esfuerzos de la carrocera en accidentes
En una colisin, la carrocera deber ser capaz de transformar en deformacin,
Los componentes que son ms susceptibles a dao debido a colisiones
Reparaciones sencillas
28
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
2.2 Materiales en Carroceras
Diversos materiales son empleados en la fabricacin y construccin de automviles. El acero sigue siendo el material principal en una carrocera,
Hojas de acero
Las lminas de acero en diferentes grados y calidades son normalmente
Aluminio
Este material se ha usado en componentes independientes como cofres y
A continuacin se despliega la Tabla 2-1 con aplicaciones y detalles de
Polmeros
29
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Tabla 2-1 Materiales en automviles y aplicaciones ms comunes.
Ejemplos de aplicacinMaterial Abrevia cin Mtodo de obtencin
PP-GMT Inyec cin a Pres in
Bujes y c omponentes de
Termoplstic os
Cubiertas y defensas ej.
PP-GMT
Termoplstic os
Moldeo por Reac cin-
Poliuretano PUR
Partes de c olision por
Poliamida PA
Copolimeros de
ABS
PC-PBT
PVC
Rieles de Protec cin
Policlorato de
Moldeo por
EPDM
Terpolimeros de
PP-EDM
Poliuretano PUR Espuma por reacc in
Espuma para absorc in
La concepcin clsica de las carroceras era en base a una estructura formada
2.3 Vehculos comerciales
30
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Camin
Camin con remolque
Camin de alt a
Semi-remolque
Autobs
cami
Figura 2-2 Vehculos comerciales ms comunes.
Regularmente se encuentran dentro de esta clasificacin camiones ligeros, (2 a
2.4 Camiones de reparto y vannettes
Vannette
Camin tipo
Chassis
Figura 2-3 Camiones de reparto y vannettes
2.5 Camiones de servicio mediano y pesado
Los vehculos en este sector tambin se encuentran soportados por bujes de
31
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
1.- Carrocera, 2.- Eje, Chasis, 4.- Transmisin, 5 Motor, 6.- Cabina.
Figura 2-4 Camiones de Servicio.
Tren motriz en camiones
Un chasis normal puede tener resortes helicoidales o resortes neumticos
NXZ/L
En donde:
N= Nmer o de ruedas
Z= Nm ero de ruedas en eje de arrastre
L= Nmero de ruedas con direccin
Figura 2-5 Configuracin para los ejes de traccin
32
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
La Tabla 2-2 muestra una clasificacin general de los vehculos comerciales
Tabla 2-2 Clasificacin de los Vehculos
Vehc ulos de camino
Vehculos de trac cin mltiple
Autos de pas ajeros Capacidad mxima 9 personas
Sedan
Bastidor cerrado, mximo 4 puertas laterales
Convertible Tec ho convertible, paneles laterales fijos
Ensanc hado para proveer ms espacio, 6 puertas max .
Coup
Bastidor cerrado, mximo 2 puertas laterales
Roadster Bastidor abierto, posible us o de barra anti-vuelc o, 2 o 4 puertas
Vehc ulos comerciales Transporte de pasajeros y /o bienes
Bus
Transporte de ms de 9 pasajeros y equipaje
Minibus Mximo 17 pasajeros
Transporte para largas dis tancias, s in area de pie
Trolley bus Impulsado por elec tric idad en cables superiores
Trans porte de bienes especficos ej. Autotanques y/o vehculos de
Camion es pec ial
Vehculo de enganche
para
Para arras tre de remolques, bienes en un area de c arga auxiliar
Semi-remolque Para arras tre de semi-remolques
Vehculos de enganche, para empujar, acarrear o manejar unidades
Tractor agricola
Vehc ulos de remolque Vehculos de carretera no impulsados por s i mis mos
Remolques
Combinaciones de veic ulos Vehculos con remolque
Camin con remolque
Trac tor s emi-remolque Vehculo de enganc he con remolque
Camin o vehculo de enganche c on un remolque especial dolly, la
Plataforma de arras tre
[2]
33
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Capitulo 3. Anlisis por el Mtodo de Elemento Finito (MEF)
En estos das, los ingenieros en cada una de las industrias se encuentran integrando los Anlisis por Elemento Finito (FEA, por sus siglas en ingls) al
3.1 Principios del Anlisis del Elemento Finito
Un Modelo de Elemento Finito (Finite Element Model, por sus siglas en ingls)
El primer paso a seguir en un Anlisis de Elemento Finito es determinar si el
34
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
funcionar si el producto no experimenta choque, movimiento, o cambios de carga con respecto al tiempo.
Anlisis Multi-fsicos
En adicin a la capacidad de soportar los esfuerzos para condiciones de trabajo mecnicas de una pieza, los programas de Anlisis de Elemento Finito
Anlisis de Simulacin de Movimiento
La tecnologa que se implementa actualmente en los sistemas
35
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
solo se quiere analizar un periodo corto de tiempo, pero podra tomar demasiado si se requiere analizar todo un escenario. Por ejemplo, si nos
Proceso de Diseo y Desarrollo de Productos
CAE
CAD
PRUEBAS
Pre-procesamiento
Solucin Post-pr ocesamiento
Preparar Geometra
Visualizar Resultados
Modelo de Elemento
Finito
Criterios de Diseo
Condiciones de
Reporte de Resultados
Frontera
Figura 3-1 Proceso de Diseo y Desarrollo de Productos.
36
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
WELD
MEF
ASCII
glstat
LsDyna
CAD Custom
BIN
Primer
Nastran
matsum
IGES
nodout
d3plot
etc
CATIA
PRE POST
MEF
DATA
I
.bmp
.avi
Abaqus
Ansys
.cvs
Nastran
LsDyna
Radioss
Patran
etc...
Figura 3-2 Preparacin para obtener el Modelo de Elemento Finito.
3.2 Conceptos bsicos para un Anlisis de Elemento Finito
Actualmente, cuando se pregunta acerca del movimiento vibratorio de un componente estructural, la informacin a reconocer son los modos de vibracin
37
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Las propiedades de rigidez sern las que dicten la relacin entre las fuerzas y las deflexiones presentes en una estructura. De esta manera se aplicarn los
Resorte Estirado
Imagine un resorte de longitud L estirado entre dos puntos ( ) x y y( )
,
,
xy
como se muestra en la Figura 3-3.
12
22
y
v1
u1
L
(x1 ,y1)
v2
a
u2
x
(x2 ,y2 )
Figura 3-3 Resorte estirado
()()
aa
cos sin
uuvv
-+-
(E4)
1212
La deformacin e presente en el resorte estirado es dividida entre la longitud original L. En trm inos de coordenadas en los extremos la siguiente:
xxyy
()()
uuvv
e--
=-+-
1212
ll
1212
22
En notacin matricial, podemos expresar:
[ ]{ }
ed
=
(E6)
B
38
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
en donde {d} es un vector de desplazamientos,
u v
1
{}
d
1
=
(E7)
2
y [B] es dado por :
2
xxyyxxyy
----
,,,
BLLLL
=--
[]12121212
2222
Permitiendo que sea la fuerza por unidad de tensin de resorte. Entonces la fuerza interna F en el resorte ser:
ee
==
(E9)
FD
Aqu, introduciremos la notacin D para controlar la relacin entre la fuerza interna del resorte y la tensin interna del resorte en cada punto denotados por
[ ]{ }
=
(E10)
FDBd
y
P1y
1
P1x
(x1,y1)
L
P2y
2
P2x
(x2,y2)
x
Figura 3-4 Fuerzas externas e Internas presentes en un resorte
39
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
3.3 Teora de Falla de la Mxima Energa de Distorsin
La Teora de Falla de la Mxima Energa de Distorsin hipotticamente define
s s y esfuerzo
Para un estado plano de esfuerzos; esfuerzos normales ,
xy
t.
cortante xy
* Sfe
sssss
=-+=
222
()()()1
,
(E11)
1122
ssss
+-
22
Siendo:
2
s
t
=+
()1
(E12)
xyxy
1, 2 2 2
xy
s = con
Resulta , Sfe
,*3
222
ssssst
=-++
2
()()()()1
(E13)
x x y y xy
Resta determinar, para esta teora, el valor del esfuerzo tangencial admisible
Ssfe como funcin de Sfe:
ss
== y 0
t , estaremos ante una
Si en la expresin anterior, 0
solicitacin de torsin pura y podrem os escribir:
xy
xy
40
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
1
()()
1
,33
2222
st
(E14)
== =
xy Sfe Ssfe Sfe
/ 3 0.577*
Ssfe Sfe Sfe
==
(E15)
De donde:
1
2
/ 3 0.577*
Ssy Sy Sy
==
(E16)
Anlogamente:
1
2
==
(E17)
/ 3 0.577 *
Ssu Su Su
1
2
La siguiente figura, similar a las expuestas para las teoras del mximo esfuerzo normal y del mximo esfuerzo tangencial, muestra, para un estado
,
s s , los pares de valores de dichos esfuerzos, que
xy
encerrados por una elipse, no provocan falla alguna conforme la teora de falla
Del anlisis de las zonas admisibles correspondientes a las teoras de falla del esfuerzo tangencial mximo y de la mxima energa de distorsin, la primera
,
s s , como se muestra en la Figura 3-5. [10]
xy
Mxima Energa de
Mximo Esfuerzo
Tangencial
Figura 3-5 Comparacin Mxima Energa de Distorsin vs Mximo Esfuerzo Tangencial
41
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
3.4 Anlisis de Componentes
Este trabajo analiz tres condiciones diferentes de trabajo sobre los componentes ms importantes que conforman una suspensin neumtica
Puente auxiliar
El puente auxiliar es el encargado de unir las dos secciones sobre cada larguero del chasis, debido a su forma, permite que el vehculo pueda disminuir Soportes de cmara superior e inferior
Los soportes sujetan y conectan al chasis con el eje de traccin por medio de
Puentes
Soporte
Soporte
Figura 3-6 Componentes analizados
42
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Capitulo 4. Conclusiones y Anlisis de Resultados
El anlisis que se realiz en esta investigacin evala la integridad estructural
4.1 Conclusiones y Trabajos Futuros
De acuerdo con los resultados obtenidos en los anlisis esttico-lineales
desarrollados en este trabajo, las condiciones de operacin dadas se obtiene lo siguiente:
Los componentes agregados NO AFECTAN la integridad estructural del
chasis en el vehculo utilitario. Ver Tabla 4-1
La estabilidad del vehculo ser mejor en condiciones de carga mxima
respecto a su estado inicial, ya que el centro de gravedad puede ser
El estibado y carga de vehculo se podr realizar con implementos ms
sencillos como lo son rampas de dimensiones reducidas y/o sistemas
Con la modificacin propuesta y validada, obtenemos los siguientes beneficios
El uso de r esortes neumticos INCREMENTAR la calidad de marcha
sobre las diversas vialidades existentes en el territorio mexicano.
Las vibraciones ocasionadas por el camino y que actan sobr e los
componentes del vehculo DISMINUIRAN en relacin a la rigidez
La vida til de los componentes de
motor, suspensin, carrocera y
sistemas alto rendimiento, incrementarn su vida til debido a la
REDUCCIN de vibraciones incidentes sobre ellos.
43
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
En un anlisis posterior es preciso realizar un estudio minucioso del
Tabla 4-1 Resultados mostrados por componentes agregados
Carga Normal
Zona
Peso Bruto Vehicular Peso Vehicular
smax [MPa] FS (sy /smax) smax [MPa] FS (sy /smax)
Puente 434 1.26 56 9.82
Soporte Superior 205 1.22 36 6.94
Soporte Inferior 208 1.20 53 4.71
Carga lateral
smax [MPa] FS (sy /smax)
Puente
256
2.14
Soporte Superior 113
2.21
Soporte Inferior 226
1.10
4.2 Funcin de la Suspensin neumtica para Vehculos Utilitarios La funcin global de la Suspensin neumtica para un vehculo utilitario es
Permitir que las ruedas sigan las irregularidades del camino sin transmitir
excesivas fuerzas a la carrocera.
Mantener las ruedas en contacto con el camino.
Reducir el movimiento de la carrocera y los pasajeros al m nimo.
Mantener a la carrocera a una distancia constante respecto del camino.
Asegurar la posicin predeterminada del plano de las ruedas y el
recorrido de estas.
El peso mximo a transportar deber ser como mximo 1500 kg.
44
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
4.3 Consideraciones
Con el fin de evaluar el estado de esfuerzos en el ensamble, se han aplicado las
Los materiales son:
- Lineales
- Homogneos
- Continuos
- Isotrpicos
4.4 Modelo de Elemento Finito
El ensamble de Elemento Finito constr uido por 41188 elementos, corresponde a
Figura 4-1 Modelo de Elemento Finito Pick up K2500
45
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Tabla 4-2 Propiedades Mecnicas de los Materiales
Mdulo de elasticidad
Densidad
Material
E [GPa]
[g/cm3]
Acero 1045 7.9
205
Acero H55 7.9
205
Acero A36 7.9
200
4.5 Condiciones de Frontera
Con el fin de extraer el estado de esfuerzos, los grados de liber tad 1 y 3 se
Figura 4-2 Condiciones de Frontera Aplicadas al modelo
46
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Figura 4-3 Condiciones de Frontera Aplicadas al Modelo
Figura 4-4 Masas aplicadas al Chasis
47
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
4.6 Criterio de Diseo
El criterio de diseo tomado para el Chasis refiere como lmite, a las
Tabla 4-1 Resistencia a la cedencia de los materiales agregados.
Material
Sy [MPa]
Acero A36
250
Acero H55
380
Acero 1045
550
Tabla 4-2 Nivel de esfuerzos inicial.
Carga Normal
Peso Bruto Vehicular
Zona
smax [MPa] FS (sy /smax)
Chasis (Sy=380MPa)
332
1.14
Puentes / Soporte
164
2.31
48
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
332 MPa
162 MPa
Figura 4-5 Estado de esfuerzos von Mises para el caso Inicial
4.7 Solucin
Para extraer el estado de esfuerzos de von Mises, el anlisis esttico lineal fue
49
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
4.8 Resultados
Las siguientes Figuras muestran el estado ms crtico de esfuerzos de von
205 MPa
208 MPa
434 MPa
Figura 4-6 Estado de esfuerzos von Mises para el caso Mxima
50
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
53 MPa
36 MPa
56 MPa
Figura 4-7 Estado de esfuerzos von Mises para el caso Chasis
51
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
226 MPa
113 MPa
256 MPa
Figura 4-8 Estado de esfuerzos von Mises para el caso Lateral
52
Validacin de Componentes para una Suspensin Neumtica en un Vehculo Utilitario
Bibliografa
[1] Ellinger, Herbert E., Manual de mecnica automotriz, Prentice Hal,
Mxico, 1990.
[2] Bosch Robert L., Automotive Handbook, Stuttgart, 1996.
[3] Nash, Frederick C., Fundamentos de Mecnica automotriz, Diana,
Mxico, 1970.
[4] Society of Automotive Engineers, SAE Handbook. Narrendale,
Pennsylvania, 1994.
[5] Thiessen, Frank J., Manual tcnico automotriz: operacin y servicio,
Prentice Hall, Mxico, 1996.
[6] Manual Chrysler para diagnstico y servicio de inyeccin electrnica.
Alamilla, Saltillo Coahuila, 2003.
[7] Society of Automotive Engineers, Glossary of automotive terminology:
Spanish English, English Spanish. Comp. by Technical Information
[8] Alamilla Esquivel, Guillermo, Diccionario automotriz de trminos tcnicos
Ingles Espaol, Saltillo Coahuila, 1991.
[9] Zienkiewicz, Olgierd Cecil, The finite element method V-1. Oxford:
Elsevier Butterworth-Heinem ann, 2005.
[10] Levy, Samuel. Wilkinson, John P.D., The component method in
dynamics, 1976.
53
Top Related