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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema A1a Diseño Mecánico: Análisis por elementos finitos
“Análisis de la suspensión y la estructura de un vehículo UTV mediante FEM”.
A. Montes de Oca a, E.I. Ramírez a, O. Ruiz* a, V.H. Jacobo a
aUnidad de Investigación y Asistencia Técnica en Materiales. Facultad de Ingeniería, UNAM. Laboratorios de Ingeniería Mecánica “Ing. Alberto Camacho Sánchez”. Circuito interior, Anexo de Ingeniería, Ciudad Universitaria, 04510 México CDMX
* Contacto: [email protected]
R E S U M E N
El objetivo de este trabajo fue tener un estudio mediante FEM del comportamiento de un vehículo utilitario para cumplir
tareas agrícolas sometido a las condiciones de operación básicas; como son aceleración, frenado y curveo con diferente
inclinación del terreno. El vehículo cuenta con una estructura tubular y con suspensiones independientes de doble
horquilla indispensables para mantenerlo estable durante las irregularidades del terreno.
Primeramente se utilizaron las ecuaciones de dinámica vehicular para determinar las fuerzas que actúan en cada rueda
para cada condición, para después en el modelo numérico aplicar las cargas en la región donde las ruedas tienen contacto
con el terreno en una dirección perpendicular a éste y para la condición de curveo se aplicaron también las cargas
laterales en cada rueda que actúan debido a la fuerza centrípeta empotrando las zonas donde se concentran los mayores
pesos en el vehículo.
Los resultados obtenidos de las simulaciones de los modelos de las suspensiones y de la estructura muestran que la fuerza
de reacción más alta se presentó para la suspensión delantera durante la condición de frenado y para la suspensión
trasera en la condición de curveo y en la estructura los esfuerzos mas altos fueron en la base delantera de la suspensión
y en los travesaños traseros que soportan la caja de equipaje.
Palabras clave: Análisis por elementos finitos, dinámica vehicular, Vehículo Utilitario de Tareas (UTV), análisis estructural.
A B S T R A C T
The objective of this paper is to analyze by FEM the behavior of a utility vehicle UTV under basic operation conditions;
such as acceleration, braking and cornering at different slopes. The vehicle is built with tubular structure and has double
wishbone suspensions necessary to maintain it stable on irregular terrain.
Firstly vehicle dynamics equations were used to determine the loads on each wheel for each condition, then in the
numerical model the loads was applied where the wheels has contact with the land in perpendicular direction to it and in
cornering condition also were applied lateral loads on each wheel due to the centripetal force and finally the areas where
the weight is concentrated in the vehicle were encastred.
The model simulations results of suspensions and structure show that the higher reaction was presented on the front
suspension during braking condition and for rear suspension on the cornering condition and the stresses on structure
were on the front base of the suspension and the elements which support the luggage box.
Keywords: FE analysis, vehicle dynamics, Utility Task Vehicle (UTV), structural analysis.
ISSN 2448-5551 DM 201 Derechos Reservados © 2017, SOMIM
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1. Introducción
1.1 Estructura y suspensión
Una estructura es un conjunto de partes unidas entre sí para
formar un cuerpo, una forma o un todo, destinadas a soportar
los efectos de las fuerzas que actúan sobre ella. En el campo
automotriz, la estructura metálica es el chasis, sobre el que se
montan y relacionan todos los elementos del automóvil;
carrocería, motor, transmisión, dirección, suspensión, y se
encarga de soportar las cargas estáticas y dinámicas que actúan
en el vehículo [1].
El chasis tubular ("superligera" en italiano), fue creado por
el italiano Touring en 1937 [2]. Esta técnica utiliza como
estructura del vehículo una red de tubos metálicos soldados,
recubierta después con láminas metálicas, frecuentemente de
metales como aluminio o magnesio. Este tipo de estructuras
consigue una carrocería de gran rigidez y resistencia con muy
poco peso, con alta durabilidad, aguanta muy bien los impactos
y la deformación es progresiva, por otro lado la fabricación es
muy cara y laboriosa, de muy difícil acceso a sus componentes
y se deben sellar los interiores de los tubos para evitar fallas por
corrosión [3].
En un vehículo con suspensión la masa del vehículo se
divide en dos, masa suspendida y masa no suspendida. La masa
suspendida del vehículo (M), es el conjunto de órganos del
vehículo que forman la “caja” (Chasis, carrocería, pasajeros y
carga), que no está en contacto rígido con la superficie del
terreno, mientras que la masa no suspendida del vehículo (R),
es el conjunto de órganos que están en contacto directo con el
terreno y deben seguir el perfil del mismo en todas las
circunstancias (ruedas, ejes, semiejes, dispositivos de frenado).
Al conjunto de elementos elásticos (K) y viscosos (v), que se
interponen entre las masas no suspendidas y las suspendidas y
que confieren a esta unión un comportamiento flexible y
amortiguado se llama suspensión [4].
Las funciones de la suspensión son [5]:
• Amortiguar los movimientos bruscos que se producirían
en la estructura, por efecto de las irregularidades que
presenta el camino.
• Proporcionar control del vehículo y una marcha suave,
estable y segura.
• Mantener las llantas en una dirección y camber adecuados
respecto a la superficie del terreno.
• Mantener las llantas en el suelo procurando una mínima
variación en las cargas.
• Reaccionar a las fuerzas producidas por las llantas.
• Resistencia a la volcadura del vehículo.
Los elementos de la suspensión han de ser lo suficientemente
rígidos y resistentes para soportar las cargas a las que se ven
sometidos [6].
La configuración de brazos en A es un tipo de suspensión
independiente la cual permite que cada rueda asimile
ondulaciones o accidentes del terreno sin transferirlas a la otra
rueda con lo que reduce el balanceo de la carrocería. Algunas
características de este tipo de suspensión son: mínimo espacio
requerido, fácil direccionalidad y poco peso. Esta configuración
se distingue por lograr recuperar el camber inicial después del
curveo. Por otro lado el costo de producción es alto, debido al
número de elementos, existe una deformación permanente de
los cojinetes y hay mayor desgaste de las llantas
Debido a esto, esta configuración consiste en 2 brazos
transversales que están unidos al chasis [6]. (Fig. 1)
Figura 1 - Suspensión de brazos en A [5].
Para este estudio, se analizó la estructura de vehículo (Fig.
2), la cual es tubular fabricada en acero, con suspensiones de
brazos en A que disminuyen las cargas a la estructura y la hacen
a su vez más estable.
Figura 2 - Vehículo UTV de estudio [7].
2. Metodología
2.1 Determinación de cargas mediante ecuaciones de
dinámica vehicular
Para el análisis de dinámica vehicular se planteó un diagrama
de cuerpo libre del vehículo en el cual actúan las fuerzas más
significativas, para determinar las cargas axiales que actúan
sobre éste [8]. (Fig. 3)
Figura 3 - Diagrama de cuerpo libre del vehículo.
Centro de la
llanta
Brazos de control
Chas
is
Eje
Pivote
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Se consideró la carga máxima que es la estructura, los
componentes del motor, 3 pasajeros y una carga de 450 Kg,
dando un peso total de 10998.97 N, además de la variación de
la pendiente a 0°, 10°, 20° y 40° en sentido positivo (es decir,
la parte delantera del automóvil se encuentra más arriba que la
parte trasera), se decidió hacer los cálculos para esta condición
debido a que la parte trasera es la que tendrá que soportar más
peso ya que es en esta parte donde se encuentra la caja, el motor
y el portaequipaje. Además de que es un vehículo tipo todo
terreno y tendrá que ser capaz de subir pendientes muy
pronunciadas [9].
Tabla 1 - Propiedades del vehículo
Propiedades Valores Unidades
Lx 2.7147 m
Lz 1.6044 m
CGanálisis (1.5102,0.7641,0.5714) m
mestructura
(estructura y
componentes del
vehículo)
446.2 Kg
mTotal (Incluyendo 3
personas de 75 Kg y
una carga en la caja
de 450 Kg)
1121.2 Kg
g 9.81 m/s2
WT 10998.97 N
hFp 0.9272 m
A 1.3391 m
B 0.9321 m
C 0.5714 m
θ 0, 10, 20 y 40 Grados
ax 2.596 m/s2
De acuerdo con la convención SAE, el momento en sentido
de las manecillas del reloj es positivo [8]. Al realizar la suma
de momentos del diagrama de cuerpo libre de la Fig. 3 en los
ejes se obtiene:
cospT x p F
d
WW B Csen a C F h
gW
A B
(1)
cospp F x T
t
WF h a C W Csen A
gW
A B
(2)
2.1.1 Cargas estáticas
La carga estática del vehículo es la suma de las cargas estáticas
por eje, estas desprecian cualquier fuerza que actúa sobre el
vehículo bajo condiciones dinámicas; por lo tanto
cos CsenT
ds
W BW
A B
(3)
sen A cosT
ts
W CW
A B
(4)
Al sustituir en las ecs. (3)-(4), se obtuvieron los siguientes
resultados.
Tabla 2 - Cargas estáticas por cada eje del vehículo
Como se observa en los resultados, las cargas en el eje
trasero aumentan cuando la pendiente aumenta y las cargas en
el eje delantero disminuyen, como es lógico las cargas se
transfieren al eje que se encuentre en la parte más baja con
respecto al otro. Aunque para la pendiente de 40° se observa
una disminución y es que conforme la pendiente aumenta la
fuerza tangente al terreno aumenta y es la que impide el
movimiento del vehículo.
Debido a que el centro de gravedad del vehículo se encuentra
fuera del centro geométrico se debe realizar un balance de
momentos en la parte transversal para obtener las diferencias en
la distribución de la carga [8]. (Fig. 4)
Figura 4 - Fuerzas transversales del vehículo
En la tabla 3 se muestran los valores de las dimensiones del
vehículo en el plano transversal.
Tabla 3 - Datos de las fuerzas transversales
Propiedades Valores Unidades
Ly 1.4408 m
CGanálisis (1.5102,0.7641,0.5714) m
C 0.5714 m
E 0.0437 m
F 0.7641 m
I 0.6767 m
Al realizar la suma de momentos del diagrama de cuerpo
libre de la Fig. 4 se obtiene:
T
sta der
V
W FW
L (5)
T
sta izq
V
W IW
L (6)
Eje a 0° (N) a 10° (N) a 20° (N) a 40° (N)
Delantero 4513.97 3964.88 3295.31 1679.19
Trasero 6484.99 6866.98 7040.33 6746.50
Total 10998.96 10831.86 10335.64 8425.69
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Al sustituir en las ecs. (5)-(6), se obtuvieron los siguientes
resultados, los cuales muestran las cargas por cada llanta del
vehículo.
Tabla 4 - Cargas estáticas por rueda
En los resultados se observa; como se esperaba, que las
fuerzas del lado derecho fueran de mayor magnitud ya que el
centro geométrico del vehículo se encuentra en este lado.
2.1.2 Cargas debidas a la aceleración
Cuando el vehículo comienza a acelerar, las fuerzas debidas a
la aerodinámica del automóvil pueden considerarse
despreciables. Con esta consideración y a partir de las ecs. de
peso suspendido (7)-(8), las ecs. de aceleración son:
T x
da ds
W a CW W
g A B
(7)
T x
ta ts
W a CW W
g A B
(8)
En consecuencia, la distribución de cargas debidas a la
aceleración depende de las cargas estáticas y de los niveles de
aceleración en la dirección de movimiento del vehículo [8].
En esta condición se observa que cualquiera que sea la
pendiente, la carga del eje delantero es transferida hacia el eje
trasero; debido al cabeceo natural del automóvil.
Al sustituir en las ecs. (5)-(6), se obtuvieron las cargas por
cada llanta del vehículo.
Tabla 5 - Cargas por rueda debido a la aceleración
Eje a 0° (N) a 10° (N) a 20° (N) a 40° (N)
Delantero
Wsta(Der)
2005.55 1714.35 1359.26 502.18
Delantero
Wsta(Izq)
1776.15 1518.25 1203.78 444.74
Trasero
Wsta(Der)
3827.53 4030.11 4122.04 3966.22
Trasero
Wsta(Izq)
3389.73 3569.14 3650.55 3512.55
2.1.3 Cargas debidas al frenado
Considerando que las cargas de resistencia al rodado tienen
magnitudes pequeñas, alrededor de 0.01g [8].
T x
df ds
W d CW W
g A B
(9)
T x
tf ts
W d CW W
g A B
(10)
En frenado la carga del eje trasero es transferida hacia el eje
delantero debido al cabeceo del automóvil. Al sustituir en las
ecs. (5)-(6), se obtuvieron las cargas por cada llanta del
vehículo.
Tabla 6 - Cargas por rueda debido al frenado
2.1.4 Cargas de curveo
Durante el curveo, el vehículo se encuentra sometido a cargas
laterales generadas por la trayectoria no lineal que debe
mantener. Para estudiar el comportamiento y la magnitud de las
fuerzas laterales, se planteó un modelo de 2 ruedas [8]. (Fig. 5)
Figura 5 – Fuerzas de curveo
La fuerza lateral está distribuida en la misma proporción que
el peso. Por lo tanto:
2
d
yd
W VF
gR
(11)
2
t
yt
W VF
gR
(12)
Las ecuaciones anteriores representan las cargas laterales
presentes en cada eje del vehículo, que dependen
principalmente de la carga en el eje, velocidad y el radio de giro.
Al sustituir en las ecs. (5)-(6), se obtuvieron las cargas por cada
llanta del vehículo.
Tabla 7 - Cargas laterales por rueda debido al curveo
Eje a 0° (N) a 10° (N) a 20° (N) a 40° (N)
Delantero
Fy(Ext)
1721.54 1459.78 1140.58 370.16
Delantero
Fy(Int)
1524.62 1292.80 1010.12 327.82
Eje a 0° (N) a 10° (N) a 20° (N) a 40° (N)
Delantero
Wsta(Der)
2393.89 2102.69 1747.60 890.53
Delantero
Wsta(Izq)
2120.07 1862.18 1547.71 788.66
Trasero
Wsta(Der)
3439.18 3641.77 3733.70 3577.87
Trasero
Wsta(Izq)
3045.80 3225.21 3306.63 3168.62
Eje a 0° (N) a 10° (N) a 20° (N) a 40° (N)
Delantero
Wsta(Der)
3127.65 2836.45 2481.36 1624.28
Delantero
Wsta(Izq)
2769.90 2512.01 2197.54 1438.49
Trasero
Wsta(Der)
2705.43 2908.01 2999.94 2844.11
Trasero
Wsta(Izq)
2395.97 2575.38 2656.80 2518.79
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Trasero
Fy(Ext)
3521.82 3703.92 3786.55 3646.53
Trasero
Fy(Int)
3118.98 3280.25 3353.44 3229.43
Aunado al efecto de las cargas laterales, se presenta una
transferencia de peso en la dirección transversal del vehículo,
este efecto debe ser considerado para el cálculo. La trasferencia
de peso está ligada a las fuerzas laterales generadas durante el
curveo y a la rigidez transversal de la suspensión [8]. (Fig. 6)
Figura 6 – Fuerzas laterales y verticales que actúan en el vehículo
durante el curveo [8]
Pero como las cargas por eje no están distribuidas
homogéneamente entre las 2 ruedas, entonces la diferencia de
fuerzas interna y externa es:
int
d d
zd z ext d z d
y y
W F W IF F F
L L
(13)
int
t t
zt z ext t z t
y y
W F W IF F F
L L
(14)
Al sustituir en las ecs. (13)-(14), se obtuvieron las cargas
durante el curveo.
Tabla 8 - Cargas internas y externas debido al curveo del vehículo
Eje a 0° (N) a 10° (N) a 20° (N) a 40° (N)
Delantero
FZ(ext)
3713.66 3393.93 3004.04 2062.97
Delantero
FZ(int)
-102.40 -331.75 -611.43 -1286.48
Trasero
FZ(ext)
6156.18 6388.56 6494.01 6315.26
Trasero
FZ(int)
1231.51 1381.13 1449.03 1333.94
De los resultados obtenidos en las cargas internas y externas
se puede interpretar que la estructura se tuerce durante la
condición de curveo, ya que en el eje delantero las dos ruedas
generan un par, mientras que en el eje trasero las ruedas
únicamente se oponen al peso del vehículo, también se observa
como las ruedas que están del lado exterior a la curva son las
que contrarrestan el mayor peso del vehículo para que este no
vuelque.
2.2 Generación del modelo numérico
2.2.1 Generación de los elementos geométricos
Con la intención de simplificar los modelos, se construyeron las
piezas a partir de elementos wire, los cuales representan los
elementos de soporte (brazos, bujes, rines y masa) y a cada uno
de estos se les asigno el perfil correspondiente con la
suspensión del vehículo.
Suspensión delantera
La suspensión delantera tiene dos horquillas, con dos arreglos
resorte-amortiguador, estos se encargan de recibir las cargas
debido a las variaciones del terreno, los brazos en A funcionan
para mejorar la variación del camber y para tener soporte en la
suspensión. (Fig. 7)
Figura 7 – Suspensión delantera en software CAD [7]
Suspensión trasera
La suspensión trasera es igual que la delantera, del tipo
independiente con brazos en A. (Fig. 8)
Figura 8 – Suspensión trasera en software CAD [7]
Estructura
Con la finalidad de disminuir el tiempo de cómputo se
construyó la estructura con elementos wire basada en el modelo
CAD. (Fig. 9)
Figura 9 – Estructura con elementos wire
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2.2.2 Propiedades y perfiles de los elementos
Se ingresaron las propiedades mecánicas del acero, así como
los perfiles de los elementos de las suspensiones y la estructura.
Tabla 9 - Propiedades del acero (ASTM A36) [10]
Densidad 7800 (Kg/m3)
Módulo de Young 210 (GPa)
Coeficiente de Poisson 0.3
Esfuerzo de fluencia 250 (MPa)
Se le asignó a cada elemento un perfil acorde al obtenido de
los CAD, donde los espesores de estos varía entre 2 y 2.5 mm
y las placas donde se apoyan los arreglos resorte-amortiguador
tiene un espesor de 5 mm (Fig. 10).
Figura 10 – Suspensiones con sus respectivos perfiles
Mientras que para la estructura los elementos en color rojo
tienen una anchura de 2 pulgadas, los elementos en color verde
de 1 pulgada y las placas en color amarillo un espesor de 2.5
mm (Fig. 11).
Figura 11 – Estructura con perfiles
2.2.3 Tipo de análisis, cargas y condiciones de frontera
Se eligió un análisis dinámico/implícito, ya que el tiempo no es
un factor que modifique los resultados [11]. Para relacionar
elementos en un ensamble dentro de Abaqus®, puede lograrse
mediante restricciones o conectores. Los primeros restringen
grados de libertad en las regiones seleccionadas del modelo,
mientras que los conectores relacionan dos puntos dentro del
ensamble asociando un sistema de referencia local [12].
Los conectores utilizados fueron axial para representar los
arreglos resorte-amortiguador y las llantas, el conector
soldadura para unir todos los elementos de la estructura y
algunos de las suspensiones y el conector bisagra para
representar el movimiento de los brazos de las suspensiones con
la estructura además del movimiento de los brazos con la masa
de la rueda para permitir el cambio de camber.
Se asignó un empotramiento en la unión de la suspensión con
el chasis para determinar las fuerzas en cada elemento de
contacto. (Fig. 12)
Figura 12 – Cargas y condiciones de frontera para la suspensión
Para realizar el análisis de la estructura los empotramientos
de las suspensiones se eliminaron y en su lugar se utilizaron
conectores para unirlas a la estructura mientras que se
empotraron los elementos de la estructura donde se concentran
las mayores cargas, es decir; la caja donde va el equipaje, el
asiento donde van los pasajeros, la placa de la parte trasera
donde va el motor y la base de la parte delantera donde va la
batería y el diferencial delantero. (Fig. 13)
Figura 13 – Cargas y condiciones de frontera para la estructura
2.2.4 Mallado
El tamaño que se eligió fue de 5 mm (0.005 m), el número
total de nodos es de 17428 y el número total de elementos es de
17383. El tipo de los elementos es viga de orden geométrico
lineal.
3. Análisis de resultados
3.1 Resultados de la suspensión delantera
La posición en la que se presentaron las reacciones es debido al
tipo de conector con el cual se encuentran restringidos los
brazos, la dirección y sentido de las fuerzas son las mismas que
para las condiciones de estática, aceleración y frenado. (Fig. 14)
Los valores de las fuerzas de reacción que se obtuvieron en los
elementos del lado derecho del vehículo presentan fuerzas de
reacción 11.5% mayores a las del lado izquierdo. Y la fuerza de
reacción más alta en la condición estática fue de 4234 N y se
encuentra en el sistema de amortiguamiento derecho en un
terreno plano, para la condición de aceleración se presentó en
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el sistema de amortiguamiento derecho con un valor de 3547 N
y para la condición de frenado con un valor de 6074 N.
Figura 14 – Fuerzas de reacción de la suspensión delantera (unidades N)
En la gráfica 1 se observa como a medida que la pendiente
crece las fuerzas de reacción disminuyen.
Gráfica 1 - Fuerzas de reacción para la condición de frenado en la
suspensión delantera
Siendo la condición de frenado donde se presentan las
fuerzas de reacción más altas se analizaron los esfuerzos. Se
observó que donde se apoya el sistema de amortiguamiento es
la zona donde se presentan esfuerzos del orden de 109 MPa,
pero se descarta ya que el modelo lo toma como una carga
puntual por ende no muestra un valor real. La condición de
frenado presenta esfuerzos del 36.25% mayores a los de la
condición estática y 62.7% respecto a la condición de
aceleración. (Fig. 15)
Figura 15 – Esfuerzos de la suspensión delantera en condición de frenado
En la condición de curveo los esfuerzos son de similar
magnitud que en los de la condición de frenado aunque solo
para los elementos exteriores a la curva. Las fuerzas de reacción
en esta condición cambian conforme la pendiente aumenta; es
decir, en los elementos exteriores las direcciones y sentidos se
mantiene iguales mientras que en los elementos interiores
cambian en sentido contrario de la pendiente 0° a la pendiente
de 40° (Fig. 16)
Figura 16 – Fuerzas de reacción de la suspensión delantera en condición
de curveo a 0°
En la gráfica 2 se muestra el comportamiento en la
suspensión delantera para cuando la pendiente aumenta en una
curva, donde en un principio la rueda interna carga parte del
peso de la suspensión y para 20° y 40° esta rueda deja de cargar
y ahora la estructura carga esta rueda. Presentando fuerzas de
reacción de 6190 N en un terreno plano y para 40° de 3571 N
en el resorte-amortiguador de la rueda externa a la curva.
Gráfica 2 - Fuerzas de reacción para la condición de curveo en la
suspensión delantera
3.2 Resultados de la suspensión trasera
La dirección y el sentido en la que se presentaron las reacciones
en condición estática, se presentan de la misma manera para las
condiciones de aceleración, frenado y curveo. (Fig. 17)
Figura 17 – Fuerzas de reacción de la suspensión trasera (unidades N)
El resorte amortiguador derecho es el elemento que presenta
el mayor aumento de fuerza de reacción con un valor de 5662
N para una pendiente de 20°, para la condición de aceleración
el sistema de amortiguamiento derecho presenta un valor de
6443 N y en la condición de frenado con un valor de 4448 N.
La gráfica 3 muestra la distribución de las cargas y como las
fuerzas de reacción aumentan conforme la pendiente aumenta
hasta los 20° después las fuerzas disminuyen.
Concentradores de esfuerzos
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Gráfica 3 - Fuerzas de reacción para la condición de aceleración en la
suspensión trasera
Debido a que la condición de aceleración fue la condición
donde se presentaron las mayores fuerzas de reacción en la
suspensión trasera, se realizó un análisis de esfuerzos
presentando esfuerzos 14.2% mayores a los de la condición
estática y 41.5% más que los esfuerzos de la condición de
frenado. (Fig. 18)
Figura 18 – Esfuerzos de la suspensión trasera en condición de aceleración
La condición de curveo presentó esfuerzos 17.7% mayores a
los de la condición de aceleración, aunque solo en los elementos
exteriores a la curva.
3.3 Resultados de la estructura automotriz
Los análisis a la estructura fueron estático, aceleración, frenado
y curveo en un terreno plano. La distribución de esfuerzos para
las condiciones de estático, aceleración y frenado resultaron ser
muy similares por lo que únicamente se presentará la condición
más crítica la cual fue frenado (Fig. 19).
Se observó una zona puntual que presenta algún error en el
modelo ya que un punto reporta un valor de 3.17 GPa en la base
de la suspensión delantera, este valor es excesivo e irreal. Se
observó que hay dos zonas donde se concentran los esfuerzos,
estos son la base de la suspensión delantera y los travesaños
traseros de la estructura; los cuales cuando el vehículo cabecea
debido a la aceleración o al frenado, los esfuerzos en estas zonas
aumentan o disminuyen.
Para la condición de frenado se presentaron en la parte
trasera esfuerzos de alrededor de los 250 MPa y en los demás
elementos de la base de la suspensión delantera se encontraron
esfuerzos de alrededor de 300 MPa. Mientras que para la
condición de aceleración se presentaron en la parte trasera
esfuerzos de alrededor de los 350 MPa y en los demás
elementos de la base de la suspensión delantera se encontraron
esfuerzos de alrededor de 220 MPa.
Figura 19 – Esfuerzos en la estructura bajo la condición estática,
aceleración y frenado
Observando de cerca el punto que presenta los esfuerzos más
elevados se encontró la posible causa y es que la placa donde se
unen los brazos inferiores de la suspensión con la base de la
suspensión delantera tiende a separarse de los largueros lo cual
no debería de suceder puesto que éstas placas están soldadas a
los travesaños; por lo que para evitar que los largueros se
separen se propone agregar un refuerzo. (Fig. 20)
Figura 20 – Refuerzo propuesto para la parte delantera de la estructura
En la Fig. 21 se observa cómo se distribuyen los esfuerzos
entre los elementos y los que están en color rojo son los
mayores, esto se debe a que como son los más próximos a unir
la caja con la parte inferior de la estructura, pues son los
elementos que cargan el mayor peso de ésta. Como el valor de
los esfuerzos resultó de 350 MPa y la distribución en este caso
es homogénea, entonces se recomienda que los elementos en
color rojo se cambien por unos más gruesos como los perfiles
con los que se encuentra armada la estructura, es decir, por unos
tubos cuadrados de 2 pulgadas por lado con un espesor de 2.5
mm, para garantizar que la estructura soportará la carga de la
caja.
Figura 21 – Esfuerzos en la parte trasera de la estructura bajo la
condición de frenado
Concentradores de esfuerzos
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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Para la condición de curveo la carga se transfiere hacia los
elementos del lado derecho por dar vuelta hacia la izquierda, los
esfuerzos en estos elementos son mayores, siendo en la base de
la suspensión delantera valores del orden de 280 MPa, y los
travesaños traseros con valores del orden de 380 MPa.
4. Conclusiones
El uso de la metodología aquí presentada permitió el desarrollo
adecuado de los modelos y análisis del vehículo utilitario de
tareas, logrando el objetivo de obtener las fuerzas de reacción y
esfuerzos en las suspensiones, así como los esfuerzos en la
estructura del vehículo cuando está a su máxima capacidad bajo
las condiciones de manejo estándar.
Con la obtención de las fuerzas de reacción en los elementos
de las suspensiones, se lograron obtener los valores de entrada
de sus elementos de soporte, donde para las condiciones
estáticas, de aceleración y frenado se tiene que los elementos
críticos son los sistemas de amortiguamiento con un 50% de la
carga entre los dos para la suspensión delantera y un 32% para
la suspensión trasera.
Para los casos en los cuales fueron analizadas las
suspensiones, los elementos críticos se observaron en donde se
apoya el resorte-amortiguador y para la estructura se
encontraron 2 principales regiones, la base de la suspensión
delantera y los travesaños de la parte trasera del vehículo. Se
recomienda seguir el protocolo que utilizan las empresas de la
industria automotriz empleando diferentes materiales para la
producción de sus vehículos, dependiendo los esfuerzos y las
zonas del vehículo que se consideran más críticas, por lo que se
sugiere cambiar los elementos que presentaron esfuerzos
mayores a los recomendados para el tipo de acero empleado
(A36), por uno de mayor resistencia.
Agradecimientos
A la Universidad Nacional Autónoma de México, a la Facultad
de Ingeniería y a la UDIATEM en especial a los ingenieros
Efraín Ramos, Ignacio Cueva, Lázaro Morales, Roberto
Cisneros, Jorge Romero y al biólogo Germán Álvarez.
Los autores también desean agradecer la información
proporcionada por el proyecto CONACyT-PROINNOVA-
FORZA No. 211811 que sirvió como referencia directa el
desarrollo de este trabajo.
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