REVISTA JUVENTUDYCIENCIASOLIDARIA Enelcaminodelainvestigación Desarrollodetécnicasdeinvestigaciónparalaoptimizacióndeungo-kartdecompetencia TatianaVásquez,DoménicaPatiño,FranklinVillacís,KevinMorocho,EstefaníaSiguencia TatianaVásquez. NacíenCuenca– Ecuador,el22deJuniode2001.Tengo 18años.Actualmente,meencuentroculmi- nandoelBachilleratoenElectromecánica Automotrizenla“UnidadEducativaTéc- nicoSalesiano”.Megustamucholanatación, ademássoycatequistayesalgoquereal- mentemeapasiona.Buscouncupoenla UniversidaddeCuencaycomofiguraprofe- sionalmegustaríaserprofesora. DoménicaPatiño. NacíenCuenca- Ecuador,el20deJuliode2001.Tengo17 años.Enestosmomentosestoyapuntode finalizarelBachilleratoenElectromecánica Automotrizenla“UnidadEducativaTéc- nicoSalesiano”.Unadelascosasquemas megustaespracticardeporte,meencanta leerlibrosyescribirrelatoscortos,doycate- quesisenlazonaquevivo.Siempretratode darmimejoresfuerzo.Estoyalaesperade obteneruncupoenlaUniversidaddeCuencaylograrseruna granIng.Civil. FranklinVillacís. NacíenCuenca– Ecuadorun27deAgostodel2001,tengo17 añosdeedad.Enlaactualidadmeencuentro porconcluirelbachilleratoenlaespeciali- daddeElectromecánicaAutomotrizenla “UnidadEducativaTécnicoSalesiano”.En mistiemposlibresmegustahacerdeporte tantofutbolcomobaloncestoocomopuede sermontaracaballo,meatraemucholaca- rreradediseñoasíquemeencuentroenla búsquedadeuncupoenlaUniversidaddeCuencaaspiroa creargrandescosasquedejenhuellasenestemundo. KevinMorocho. NacíenCuenca-Ecuador, el12deJuliode2001.Tengo17años.Enes- tosmomentosestoyporfinalizarelBachiller- atoeneláreadeElectromecánicaAuto- motrizenla“UnidadEducativaTécnico Salesiano”.Misactividadesfacvoritasson lalecturayeldeportetantocomofutbol yecuavoley.Entodasmisactividadesme esfuerzocompletamenteeintentoprogresar diaadiaparafomarunfuturoestable.Es- toyenesperademiingresoalauniversidadyempezarmi profesióncomoIng.Automotriz. EstefaníaSiguencia. NacíenCuenca– Ecuadorun21deagostodel2001,tengo17 añosdeedad.Enlaactualidadmeencuentro porconcluirelbachilleratoenlaespeciali- daddeElectromecánicaAutomotrizenla “UnidadEducativaTécnicoSalesiano”.Soy unapersonamuyactiva,megustaeldeporte, ademássoymuysociable,megustaríainvolu- crarmeenelmundodelainvestigación. 26
Enelcaminodelainvestigación 27 Resumen EnlacompetenciadeGo-Kartsserequierealcanzar lasmáximasprestacionesconlosmínimosrecursos, paraellotodaoptimizacióndelvehículodarámayor ventajaenlapista,seanalizalosdiferentessistemas, componentesytodaslascaracterísticasqueinfluyenen eldiseñocomolosdiferentesángulosparaentenderla funcionalidadestructuralparaposteriormenteanalizar laresistenciadelaestructuraprincipaldelvehículode- nominadochasisygarantizarquesoportelosesfuerzos alosquesesometedurantelacompetencia.Porello esesenciallograrunagranresistenciaconlamenor cantidaddematerialposible,paraelloelanálisisde elementosfinitosdeterminarálospuntosareforzaren suestructura. Palabrasclave: Go–Kart,elementosfinitos,geo- metríadireccional,optimización,chasis,optimización, esfuerzos,deformación. 1.Explicacióndeltema 1.1.Introducción UnGo-Kartconstadeunaestructurasimpleencon- juntoporcuatroneumáticosyunsoloasiento,elcual espropulsadoporunmotordecombustióninternao motoreseléctricos[1].Constituyeundiseñobásicoy suprocesosebasaenvariasfasesdeingenieríacen- trándoseenlossiguientesobjetivostalescomo:se- guridad,resistencia,robustez,estandarización,costoy ergonomíadelconductor[2]. Existenvariosmé‘todosconloscualessepueden realizardiversasmodificacionesenelchasisbasándose enestudiosoinvestigacionesquesecentranen:elaná- lisisennodosdelaestructuratubular,estudiodel modeladogeométrico,análisisestructuralydinámico, yfinalmentelamodificacióndeestructurasparasu construcciónlograndoasíobtenermenorpesoenel Go-kart,todoestosinalterarlosaspectosderigidezo estabilidad[3]. Eldiseño3DdelGo-Kartselopuederealizarme- dianteelsoftwareSolidWorks,elcualbrindamuchas ventajas,entreellas,obtenerunareferenciavisualmuy claradelaspiezas.Delamismamanera,nospermite realizarelanálisisdeesfuerzosydeformacionesdelas estructuras[4],procesobasadoenunmétodonumérico, quedivideuncuerpoenunnúmerofinitodeelementos, loscualesresuelvenelproblemademaneraindividual, yproporcionanelresultadodelasrestriccionesde maneraconjunta[5]. 1.2.Componentesprincipales1.2.1.Chasis EslaestructuradelconjuntodelGo-Kartqueunelas partesmecánicasylacarrocería,estácompuestopor unconjuntodetubosdeacerosoldado,noatornillado, formandounaestructurarígida.Losparámetrosacon- siderarenelmomentodediseñarunchasisson:peso,rigidez,altura,equilibrioycosto(Figura1)[6]. Figura1. ChasisGo-kart.Elaboraciónpropia
28 JuventudyCienciaSolidaria Elmaterialutilizadoenlafabricacióndeestecha- siseselaceroestructuralASTM-A36,laspropiedades principalesdeestematerialsemuestraenlaTabla1. Tabla1. Propiedades.Elaboraciónpropia PropiedadValorUnidad MóduloElástico200000N/mm 2 CoeficientedePoisson0.26N/DMóduloCortante79300N/mm 2 Densidaddemasa7850Kg/m 3 Límitedetracción400-552N/mm 2 Elongación18%DurezaRockwell67-83BDurezaBrinell119-159- 1) EquilibriodelChasis:Sedefinecomoaquella condicióndelamateriaquelepermiteseres- tableofirmeconrespectoalasfuerzasconlas queinteractúaenelespaciodondeseencuentra, esdecir,elchasisdebedisponerdeunaestabili- dadalta,detalmaneraqueloscomponentesque seencuentranfijadosaél,semantengansólidos segúnsufuncionalidad.Serealizaenunsuelo plano,lasdistanciasdeambosejesalsuelo,en elladoderechoyenelizquierdo,lasmismasde- beránrealizarseperiódicamenteparamantener laseguridaddelchasis[8].2) Rigidez:Eslacapacidadquetienenloselemen- tosdelasestructurasdeaguantarlosesfuerzos sinperdersuformaymantenersusuniones,es decir,laresistenciaquelograsoportarelchasisa torsión[9].Unchasismuyrígidopuedeperderla capacidaddeflexiónparaunóptimoagarreen pisodeslizante,porelloseoptaporunamayor capacidaddeflexión(chasisblandos)deforma que,paraconseguirlarigideznecesariaenotras pistasseacudealusodeunacantidadcreciente debarrasestabilizadoras[10].3) AlturadelChasis:Laalturadelchasisdepende delosparámetrosdelascompetencias,también hacerelevanciaalestadodelpesodelchasisy dimensionesqueloconstituyen.Normalmentese tiendeamantenerlotanbajocomoseaposibley conlamismaalturadederechaaizquierda,se puedeemplearparaajustarelrepartodepesos yelagarre.Aumentarlaalturadelchasisenun extremo(detrásodelante)incrementaráligera- menteelagarreenelextremoquesealza.Bajar hastaeltopelaalturadelosrodamientosdel ejetraseroresultaráenunmejordeslizamiento enlaparteposterior,estossonalgunosejemplos enlosquesemodificalaalturadelchasispara obtenermejoresresultados[11]. 1.2.2.SistemasySubsistemas 1) Transmisión:Conjuntomecánicoindispensable delacadenacinemáticadeunvehículoconel propósitodeconvertirlaenergíanecesariapara propulsarlos[12].Pormediodelacadenadirige lapotenciayelparmotorhacialasruedasdel Go-kart[13]. Transmisiónporcadena:Estatransmitelapo- tenciadesdeelpiñónqueasuvezpasaporla salidadelcigüeñalhastaunacoronadentada queessolidariaconelejetrasero.Estoayuda alareduccióndeRPMyaquelarelaciónque existeenlatransmisiónesdereducción,como lopodemosobservarenFigura2[11][13].
Enelcaminodelainvestigación 29 Figura2. Sistemadetrasmisión.Elaboraciónpropia Embrague:Elconjuntollamadoembragueesel quepermitesuspenderlapotenciadirigidapor lacadenacinemáticadetransmisión,dandopaso asíaqueelvehículopuedapermanecerestático mientraselmotorestágirando[13]. Cajadecambios:sufunciónescapacitarlas prestacionesdeparadistintosregímenesdegiro queaportaelmotordecombustión[13].2) Sistemadedirección.:Eselencargadodepermi- tiruncontroldireccionalmuyestableypreciso yaqueasíotorgalaseguridadalmomentode realizarcualquiermaniobraenlacarreteracomo evasionesdeobstáculosogirosenlosmomen- tosqueloameriten,[13]enelgráficonúmero2 muestravisualmentecomoesta ´ estructuradoel sistemadedirección,observarlaFigura3. Figura3. Sistemadedirección.Elaboraciónpropia 3) Elementosderodadura:Loselementosdero- dadurasonaquellosencargadosdepasarlafuerza delparmotorhaciaelterrenoyasíelvehículo sedesplace.Loselementosderodaduravendrían siendoneumáticos,llantasylosbujes,esteúl- timoeselencargadodesujetarlasllantasalas manguetasparaelcasodelejedelantero,yaleje detransmisiónparaejeposterior.[14],Figura4. Figura4. ElementodeRodadura.Elaboraciónpropia
30 JuventudyCienciaSolidaria 4) Sistemadefrenos.:Eselsistemaencargadode disminuirprogresivamentelavelocidaddelve- hículo,estoseconsiguealdispersarlaenergía cinéticaquesealmacenadurantelatrayectoria enformadecaloratravésdeunrozamiento[14]. ComoseobservaenlaFigura5.5) DoblezdeTubos:Enunodelosprocesosde dobladodetubosdelGo-kart,porunextremo deltubosesellaconunaplatina,mientrasque, porelotro,serellenaconarenasílicehastaque estébiencompactadaestopermitirádarunama- yorsolidezparaasípoderefectuarelcorteyno existanrupturasprevias.Estoharáqueeltuvo tengaunagrancantidaddepeso,porestarazón esteprocesosoloesutilizadoparapoderefec- tuareldoblezdelostubos,despuésseloextrae completamenteparaasíprocederconlaetapa dearmadoyconfección[6]. Figura5. SistemadeFrenos.Elaboraciónpropia 1.2.3.GeometríaDireccional Comprendetodoslosfactoresqueincurrenenelcom- portamientodireccionaldelvehículo[17].1) ÁngulodeCaída:Tambiénllamadocamber,di- choángulohacereferenciaalainclinaciónque presentalaruedarespectoaunejeverticalde tiponeutro.Cuandolaruedacarecedeincli- naciónpositiva,convergehacialaparteinferior ynegativocuandoconvergehacialapartesupe- rior.EnunGoKartsedebeprocurarlacaída negativaconunvalordealrededordemedio gradoloquefavoreceráalaumentodelpoderde giroyadherenciadelarueda.2) ÁngulodeSalida:Comprendidoentrelalínea imaginariacompuestaporlarótulasuperiore inferiordelamanguetayunejevertical,(Figura 6).Reduceelesfuerzoalrealizargirosenelve- hículoyaquepermiteunamejorasimilacióndelasirregularidadesdelterreno[18]. Figura6. ÁngulodeSalida.Elaboraciónpropia
Enelcaminodelainvestigación 31 3) ÁngulodeAvance:Vistodesdeelfrentecom- prendelalíneaimaginariacompuestaporlaró- tulasuperioreinferiordelamanguetayuneje vertical.Permitequeladirecciónsemantenga estableyfija.Seempleaparamejorarlaestabi- lidaddelGo–Kartenunarecta,seobservaen Figura7. Figura7. ÁngulodeAvance.Elaboraciónpropia 4) ConvergenciayDivergencia:Distanciaexistente entreelanchodevíadelapartefrontalyposte- riordelosneumáticosdelejedelanterodeunGo –Kart.Siladistanciafrontaldelosneumáticos esmayorsellamadivergencia,siladistanciapos- terioresmayorsehabladeconvergencia.Com- prendevaloresentre1y2mm.Esteparámetro influyedirectamenteeneldesgastedelasruedas, loidealesquelasmismasseencuentrenparalelas puestoqueasíseconseguiráunamarchasuave enunGo-Kart.Lapresenciadeinclinaciones significaundesgasteenelneumáticodebidoa quegeneraunvalorderesistenciaalavance. 2.Modelado3D 2.1.AdquisicióndeDatos(medidas) Setomanlasmedidascorrespondientesalchasis, puestoqueeslaestructurabasedeunGo–Kart. Posteriormentesedapasoalasmedicionesdecompo- nentestalescomo:motor,volante,ruedas,ejes,como semuestraenlaFigura8;siendoprimordialdefinir sucorrectaubicaciónconelfindeevitarunamala distribucióndecargasqueafectendirectamenteala ergonomía.Todoesteprocesoesrealizadotomando comoreferenciaunpuntoespecíficodelchasis. Figura8. TomadeMedidas.Elaboraciónpropia 2.2.ModeladoGo-Kart Medianteusodesoftwareserealizaelmodelado3D Figura9detodoelGo-Kartcomopuntodepartida pararealizarcualquieranálisisestructuralparafuturo modificarbasándoseenresultadosobtenidos.
32 JuventudyCienciaSolidaria Figura9. Modelo3DGo-Kart.Elaboraciónpropia 3.Métododeoptimización. 3.1.Análisisdecomponentesporelementosfinitos Ladeterminacióndetensiones,temperaturaylosdife- rentesestadosdefuncionamientoquepuedetenerun elementoenbaseaciertosparámetrosovariablesque vancondicionandoelmismo.Paraanalizarlasdiferen- tescondicionesnoseestableceunsoloanálisisaplicado aunaestructurasinosedebedividirlaestructuraen unnúmerodeelementos(porciones)unidospornodos enloscualessematerializanlasprincipalesincógnitas. Esdecir,todoestopermitegenerarunamallala cualdebecubriraldominio[15].Estosanálisissebasan enelcálculodelasfuerzas,esdecir,unafuerzaapli- cadaenunpuntoespecíficodeunelementoquepuede producirdeformacionesenlaestructuradelmismo.El elementoevienedefinidoporsusnodos(i,j,m)ypor sucontornoformadoporlíneasqueunenlosnodos. Losdesplazamientosyaseanverticalesuhorizontales seasemejanporunvectorcolumna ~u .Tomandoen cuentaqueNesfuncióndeposicióny a e representaun vectorformadoporlosdesplazamientosdelosnodos [16],comosemuestraenlaFigura10. Figura10. Coordenadasnodales(i,j,m)ydesplazamientosnodales.Elaboraciónpropia Donde ~u serepresentaenlaecuación(1): ~u = X N i · a ei =[ N i N j ... ] ~a i ~a j ... = Na e (1) Pararealizarelanálisissedebentomarencuenta ciertosparámetrostalescomo:eldominio,lascondi- cionesdefuncionamientoylasincógnitas[17].Dichas característicaspermitenobtenerlosmejoresresultados conelmenorgradodeerror.Serealizaatravésde matricesderigidezlascualesserándefinidasporlos gradosdelibertadqueposeeelsistema,deestaforma sedefinirásutamaño.
Enelcaminodelainvestigación 33 MétodosDirichlet-Dirichlet - SeaplicaelMétodoDirichlet-Dirichletatravés deloscálculosdelasmatrices.- Tomarencuentaqueloscálculosrespectivosson muynumerososydifícilesderesolverdeforma manual,poresosehancreadodiferentestiposde softwareconelfindecalcularestasoperaciones conecuacionesdiferencialesquenospermiten obtenerlosvalores.- Otrométodofactibleeselquesebasaenlaley deHooke,comonosmuestralaecuación(2)[18]. [ F ]=[ k ][ u ] (2)Donde:F=fuerzasymomentosqueactúan.k=matrizderigidez.u=desplazamientoogiros.- Elchasisdeunvehículoqueseencuentra sometidoasuperficiesoscilantesdeunacarretera oensudefectofuerzasgeneradasencurvascrean cargassuperioresenlaestructuradelchasis[19]. Deestaformaesnecesariocalcularunacorrecta rigideztorsionallacualsecalculacomoresul- tadodelarelaciónentreeltorqueyladeflexión angular,ecuación(3). T = M ϕ (3)Dónde:T=Torsión(Rigideztorsional).M=Momento. ϕ =Deflexiónangular. Estosanálisissedebenhacerdesdediferentespun- tosdereferenciaparapoderobtenerlainformación conmayorprecisión. 3.2.Simulaciónyresultados3.2.1.Simulacióndecomponentesporelemen-tosFinitos Lasimulacióndeterminarálospuntosdondepresenta mayordeformaciónyesfuerzosalaplicarlasfuerzasa lasqueestarásometidoelgo-kart,deestamaneraob- servamoslospuntosdébilesdelchasisdondesepodría mejoraroquizáeliminarparadisminuirpesos. 3.2.2.Fase1Modelado Empezamosdesdeunmodelado3Ddelchasisenel cualpormediodeunsoftwareserealizaráelanálisis comopodemosverenlaFigura11. Figura11. ModeladodelChasis.Elaboraciónpropia 3.2.3.Fase2NodosyfuerzasAplicadas Seproveedeinformacióna software sobrelosnodosdel chasisendondeseestablecepuntosdeanálisisestruc- turalesiniciales.EnlaFigura12seobservapuntosde colormoradoquesegeneran,dondesonlosnodosque seestablece,ademásdelasflechasdondeseespecifica lasfuerzasaplicadas.
34 JuventudyCienciaSolidaria Figura12. Nodosyfuerzasaplicadas.Elaboraciónpropia 3.2.4.Fase3AnálisisdeEsfuerzos Medianteelanálisisdeesfuerzosseaplicafuerzasa lasqueestásometidoelchasisensuspuntosdeapoyo ymedianteundesplieguedegamadecoloresdesde azuldondelosesfuerzossonenormes,hastaelrojo dondesepresentanlosmayoresesfuerzos.EnlaFigura 13seobservaladistribucióndecoloresalolargodel chasisverificandoqueeldiseñoessólido,dondelas únicasvariacionesquesepodríasometereseliminar algunasbarrasdondenosepresentaesfuerzomayor deestamaneraaligeramospeso,aspectoqueinfluirá enlavelocidaddelvehículo. Figura13. Nodosyfuerzasaplicadas.Elaboraciónpropia 3.2.5.Fase4AnálisisdeDeformación Eneldesarrollodelanálisisdedeformaciónaligual queenesfuerzossebasaengamadecoloresrepresen- tandoenmm(Figura14),dondeseobservaqueel chasisnosufregrandeformaciónenlamayorpartede laestructurayúnicamenteenelsoportedelasllan- tasdelanterasdondeseubicalasmanguetaspresenta colorrojo.Esdecir,presentalamayordeformación, porlocualesunpuntodeanálisisparamejorarla estructura,garantizandoelsoporteydañosfuturosen competenciadelchasis. Figura14. FlexióndelChasis.Elaboraciónpropia
Enelcaminodelainvestigación 35 3.2.6.Resultadosfinales Tabla2. Resultadosfinales.Elaboraciónpropia AnálisisMedida EsfuerzoMáximo2,928e 07 MPaDeformaciónMáxima2,654mm 4.Conclusiones Unodelogrosobtenidosalrealizaresteproyectofue eldesarrollodetécnicasdeinvestigaciónquesevieron reflejadasenlaobtencióndeinformaciónparaeldesa- rrollodelosdiferentesanálisis,construcciónysimula- cionesejecutadasparalograryobtenerlosresultados finalesdelGo-kart,losmismosquesedesarrollaron paralaoptimizacióndesuscaracterísticasfísicascon elfindeobtenermejoresresultadosalahoradesu funcionamiento. AtravésdelaconstruccióndelmodelodelGo- kartenelsoftwareSolidWorksseconsiguióafianzar conocimientosencuantoalmodelado3D,enelcual posteriormenteserealizaronsimulacionesdeesfuer- zosydeformacionesobteniendobuenosresultadosen todalaestructura,exceptuandolaparteenlacuallas manguetasseunenalchasis. Realizandoelanálisisdeesfuerzos,seobservaun valormáximode2,928e 07 ,mientrasqueenladefor- maciónobtuvimosunvalormáximode2,654mm.Con elloseconstataqueeldiseñodelchasisdelGo-kartes sólido,laoptimizaciónplanteadaseorientaareforzar elnodoquesirvedesoportedelasllantasdelanteras dondeseubicalamangueta,yporotraparteenelimi- naralgunoscomponentesdelaestructuratubularque nosufrenmayoresfuerzonideformacióndelchasis. Agradecimientos Agradecemosatodaslaspersonasqueformaronparte deesteproyecto,quieneshicieronposiblequeeste proyectosedesarrolle,yaquesinsuapoyoygestión nohubiesesidoposiblesuejecución,alIng.Fabricio Espinoza,alIng.NéstorRiverayalasautoridadesde laUnidadEducativaTécnicoSalesianoquienesseen- cargarondelavinculaciónysupervisióndelproyecto. Ademásdemaneraespecialaquienesestuvieronen ladireccióndelgrupo:FelipeBerrezueta,PaúlPe- raltayAnaísMolina;quefueronpersistentesyreali- zaronunalabormásalládeladeestudiantes,yaque fuerondocentesyunapoyoparacadaunodenosotros. Finalmente,agradecemosanuestrasfamiliasporel acompañamientodentrodetodoesteproceso. Figura15. Equipodetrabajo
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