-
A G R A D E C I M I E N T O S
Gracias a dios por haberme permitido llegar hasta este da.
A mis padres por todo lo que me han brindado toda mi vida, por
estar siempre conmigo, por darme consejos, apoyo y mucho cario
durante toda mi preparacin. GRACIAS.
A los profesores que realmente me ensearon cosas valiosas y que
dejaron en m un buen aprendizaje.
Gracias a I .J. M. G. por apoyarme cuando ms te necesitaba .
A mis compaeros que juntos colaboramos al termino de nuestra
carrera.
AGUILAR SANABRIA JORGE MARIO
-
Para alcanzar uno de mis anhelos ms grandes de mi vida existi el
apoyo de
las personas que ms amo, mis seores Padres, porque gracias a sus
consejos y
su cario he realizado, fruto del inmenso apoyo, amor y confianza
que en m se
deposit y con los cuales he logrado terminar mis estudios
profesionales, por
supuesto, no podra hacer falta mi hermana que tanto quiero, por
brindarme
esos momentos de alegra ante situaciones frustrantes a lo largo
de mi
preparacin, por ello les vivir eternamente agradecido.
A una persona muy especial y que amo, a mi novia, por su
sacrificio en algn
tiempo incomprendido, por su confianza, por su amor y amistad
incondicional,
a su hermana por sus consejos y nimos en momentos de confusin, a
sus
padres por tanto apoyo moral desde el momento que los conoc. A
mis tos que
entregaron su confianza y me brindaron hospitalidad, a todas las
personas que
tuvieron algo que contribuyeron en mi formacin, a mis maestros,
compaeros
de clase y amigos de carrera.
A todos, muchas Gracias.
Jorge Can Ortz Martnez.
-
Gracias,
Mario Hugo Corona Escartin
-
- 0.1 Titulo
Anlisis y diseo del disco y soporte del freno para un
go-kart.
- 0.2 Objetivo
Realizar el diseo y anlisis del disco y soporte para un sistema
de freno de alto
rendimiento para uso exclusivo de un automotor, particularmente
en un go-kart
con un motor de 5.5 hp de potencia.
- 0.3 Justificacin
Debido al adelanto tecnolgico de los transportes automotores es
de gran
importancia sentar las bases para el desarrollo de mejores y
avanzados sistemas
de frenado. Uno de los componentes esenciales de los sistemas de
frenos, son
los discos de frenado y su soporte. Y las mejoras en las
caractersticas de estos
componentes incrementaran la eficiencia de los sistemas de
frenado conocidos.
Contribuir a sentar bases en el diseo de un disco de frenado
implementndolo en
sistemas bsicos de frenado como los incluidos en los vehculos de
baja potencia
contribuir al implemento de estas bases.
- 0.4 Alcance
Este proyecto se concluye con el modelado y anlisis esttico de
un disco para un
sistema de frenos. Esta dirigido a su instalacin en un vehculo
go kart.
Cabe hacer notar que el anlisis no abarco el rea dinmica ni
trmica, pero sienta
las bases para la continuacin del proyecto ya que no se
concluyo.
1
-
- 0.5 Metodologa
Se obtiene el diseo bsico de un go kart dado por la recopilacin
de informacin
y diseo de vehculos del mismo tipo.
Se recopila informacin de discos de frenos para el sistema de
frenos bsicos
para este tipo de vehculos.
Como siguiente paso se efecta un modelado previo para determinar
los espacios
y distribucin de los dems sistemas.
Se procede al modelado y luego al anlisis del disco del sistema
de freno.
2
-
0.6 INDICE
0.1
Titulo.................................................................................................................
1
0.2 Objetivo
............................................................................................................
1
0.3 Justificacin
....................................................................................................
1
0.4
Alcance.............................................................................................................
1
0.5 Metodologa
.....................................................................................................
2
0.6 INDICE
..............................................................................................................
3
1 CAPITULO I. MARCO TEORICO
........................................................................
7 1.1 CONCEPTO DE
FRENO...................................................................................
7
1.2 HISTORIA DEL
FRENO....................................................................................
9
1.3 CLASIFICACIN GENERAL DE LOS
FRENOS............................................. 12
1.4 CRITERIOS DE DISEO PARA DISCOS DE
FRENOS................................. 17
1.4.1 EFECTOS DE LA TEPERATURA
................................................................
20
1.4.2 LA GEOMETRA DEL DISCO DE
FRENO................................................... 21
1.4.3 PROBLEMAS PRINCIPALES ASOCIADOS A LOS DISCOS.
..................... 26
1.5 METODO DEL ELEMENTO FINITO (FEM)
.................................................... 33
1.6 FUNDAMENTOS ESTRUCTURALES
............................................................ 37 2
CAPITULO II DISEO DE UN DISCO Y SOPORTE DE ESTE PARA UN
FRENO EN MECHANICAL DESKTOP
............................................................. 43
2.1 DIBUJO DE SLIDOS ASISTIDOS POR COMPUTADORA
......................... 43 2.2 DISEO DE UN DISCO DE FRENO
VENTILADO PARA UN GO KART........ 45
2.2.1 MECHANICAL
DESKTOP............................................................................
45
2.3 PASOS PARA DISEO DE UN DISCO EN MECHANICAL DESKTOP.........
46
2.3.1.-CONFIGURACIN DE UNA HOJA DE DISEO EN MECHANICAL
DESKTOP..........................................................................................................
46
2.3.10.-COMO REALIZAR LAS FIGURAS (PERFILES) ALREDEDOR DEL DISCO
EN UNA FORMA SIMTRICA.
..........................................................................
62
2.3.11.-REALIZACIN DE UNOS BARRENOS EN EL DISCO PARA UNA MEJOR
VENTILACIN DEL MISMO
..............................................................................
65
2.3.12.-EN LA ILUSTRACIN 26 NOS MUESTRA COMO QUEDA EL DISCO YA
TERMINADO EN EL PROGRAMA MECHANICAL DESKTOP.
......................... 68
3
-
2.3.2.- GENERACIN DE LAYERS.
.....................................................................
47 2.3.3.-COMO HACEMOS UN
CIRCULO...............................................................
48 2.3.4.-COMO CREAR UN PROFILE DE UN
DIBUJO........................................... 50
2.3.5.1.-IDENTIFICACIN DE LA OPERACIN DE EXTRUSIN RESUELTA. .. 52
2.3.5.2.-COMO HACER LA IMAGEN EN UN SLIDO.
........................................ 54 2.3.5.-OPERACIN DE
EXTRUSIN...................................................................
52 2.3.6.1.-CONVERTIR LOS CRCULOS Y LAS OPERACIONES EN UN
SLIDO.
...........................................................................................................................
56
2.3.6.-REALIZACIN DE LOS TRES BARRENOS DE SUJECIN DEL DISCO (GUA
PARA LOS
TORNILLOS)........................................................................
55
2.3.7.-PERFORACIN DE LOS TRES BARRENOS DE SUJECIN DEL
DISCO............................................................................................................................
57
2.3.8.-DISTRIBUCIN ADECUADA DE LOS TRES BARRENOS, UTILIZACIN DEL
COMANDO ARRAY.
..................................................................................
58
2.3.9.- DISEO PARA EL ALIGERAMIENTO DEL
DISCO................................... 61 2.4 DISEO DE UNA BASE
SOPORTE PARA EL DISCO................................... 69
2.4.1.-LIMITES PARA LA HOJA A
TRABAJAR..................................................... 70
2.4.2.-CONFIGURACIN DE UNIDADES PARA TRABAJAR EN LA HOJA. ...... 71
2.4.3.-REALIZACIN DE LOS CRCULOS PARA LA BASE SOPORTE DEL
DISCO................................................................................................................
73
2.4.4.-COMO TRABAJAR CON LA HERRAMIENTA PROFILE EN EL DIBUJO. .
74 2.4.5.-COMO PUEDE VERIFICAR ESTA OPERACIN SI ESTA REALIZADA. ..
75 2.4.6.- PERFORACIN DE LA PIEZA PARA SUJETAR DE ESTOS TRES
BARRENOS AL DISCO.
....................................................................................
77
2.4.7.-REALIZACIN DE LAS TRES BASES PARA SUJETAR EL DISCO
(REDUCCIN DE PESO)
..................................................................................
78
2.4.8.- REALIZACIN DE LOS TRES BARRENOS PARA SUJECIN DE
BARRA
Y BASE SOPORTE DEL DISCO.
......................................................................
80
2.4.9.-COMO PODER DETALLAR LA PIEZA CON LA HERRAMIENTA DEL
FILETEADO (FILLET
.........................................................................................
83
4
-
3 CAPITULO III MODELADO Y ANLISIS ESTRUCTURAL DEL DISCO DEL
SISTEMA DE FRENO PARA UN
GO-KART..................................................... 86
3.1 OBTENCIN DEL CUERPO GEOMTRICO GENERADO EN CAD. ............
87
3.1.1 INICIALIZACIN DEL SOFTWARE DE DISEO, MECHANICAL
DESKTOP
...........................................................................................................................
87
3.1.2 EXPORTACIN DEL ARCHIVO ES DEL DISCO DE
FRENO................... 90
3.2 IMPORTACIN DE LA GEOMETRA DEL DISCO AL SOFTWARE DE
ANLISIS ESTRUCTURAL.
..............................................................................
91
3.2.1 INICIALIZACIN DEL SOFTWARE PARA EL PROCESO DE
TRASLACIN,
ANSYS WORKBENCH.
.....................................................................................
91
3.2.2 SELECCIN DE SISTEMA DE UNIDADES PARA EL DESARROLLO DE
LA GEOMETRA DE
TRABAJO.........................................................................
93
3.2.3 IMPORTACIN DEL ARCHIVO DE LA GEOMETRA
................................. 94
3.3 PROCESO DE SIMULACIN DEL ANLISIS ESTRUCTURAL DEL MODELO
DEL DISCO EN
ANSYS.....................................................................................
99
3.3.1 IMPORTACIN DEL MODELO GEOMTRICO.
....................................... 100
3.3.10 APLICACIN DE LA VELOCIDAD ANGULAR
........................................ 118
3.3.2 MODELADO DE LA
BALATA.....................................................................
103
3.3.4 DEFINICIN DEL TIPO DE ELEMENTO PARA EL MODELO
GEOMTRICO
.........................................................................................................................
107
3.3.5 MALLADO DEL CUERPO GEOMTRICO DEL DISCO DEL FRENO.......
109
3.3.6 CONDICIONES DE FRONTERA
...............................................................
113
3.3.7 ELECCIN DEL TIPO DE
ANLISIS.........................................................
114
3.3.8 APLICACIN DE
CARGAS........................................................................
115
3.3.9 VALOR APROXIMADO DE LA VELOCIDAD ANGULAR EN EL DISCO. ..
118
3.4 SOLUCIN Y VISUALIZACIN DE RESULTADOS DEL ANLISIS............
120
3.4.1 INTERPRETACIN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS
.................... 126
4 CONCLUSIN
.................................................................................................
127
5 APNDICE I DESCRIPCIN BSICA DEL TIPO DE ELEMENTO ELEGIDO
129
6 APNDICE II Tabla de Propiedades Mecnicas, HIERRO GRIS FUNDIDO
... 130
7 APNDICE III CARACTERSTICAS DEL MOTOR
.......................................... 131
5
-
8
REFERENCIAS................................................................................................
132 9 BIBLIOGRAFIA
...............................................................................................
132
6
-
1 CAPITULO I.
MARCO TEORICO
1.1 CONCEPTO DE FRENO
Se llama freno a todo dispositivo capaz de modificar el estado
de movimiento de
un sistema mecnico mediante friccin, pudiendo incluso
detenerlo
completamente, absorbiendo la energa cintica de sus componentes
y
transformndola en energa trmica. El freno esta revestido con un
material
resistente al calor que no se desgasta con facilidad, no se
alisa y no se vuelve
resbaladizo.
Son elementos de maquinas que absorben energa cintica o
potencial en el
proceso de detener una pieza que se mueve o de reducirse la
velocidad. La
energa absorbida se disipa en forma de calor. La capacidad de un
freno depende
de la presin unitaria entre las superficies de energa que esta
siendo absorbida.
El comportamiento de un freno es anlogo al de un embrague, con
la diferencia
que un embrague conecta una parte mvil con otra parte mvil,
mientras que el
freno conecta una parte mvil con una estructura.
Aunque parezca muy complicado el sistema de frenos de un
automvil es bastante
simple (lustracin 1.1): se necesitan considerar algunos
principios fundamentales
de la fsica. La idea primordial es que para detener un carro
pesado, hace falta
multiplicar la presin que su pie ejerce sobre el pedal del freno
y transferirla a las
ruedas, ejerciendo palanca.
7
-
Ilustracin 1.1. Sistema de frenado con disco
El pedal del freno esta diseado de manera tal que multiplica la
presin que usted
aplica con su pie. Para ello se utiliza una palanca simple que
aumenta hasta dos
veces dicha fuerza. Esta es transmitida a el embolo del cilindro
maestro, que
forma parte de la hidrulica de los frenos.
Lo bsico que se debe entender de la hidrulica respecto a los
frenos es que se
transmite la fuerza aplicada de un punto a otro, gracias a un
fluido que se resiste a
ser comprimido. Pero aqu tambin se busca multiplicar la fuerza
por lo que en el
extremo de salida, la presin de su pie en el pedal habr
aumentado unas diez
veces por lo menos.
El cilindro maestro esta conectado por tubera con otros
cilindros esclavos, que a
su vez se conectan con las balatas en cada una de las
ruedas.
De esta forma, existe friccin entre los neumticos y el asfalto,
tambin hay
resistencia la deslizar las balatas y los discos del freno.
8
-
Las pastillas y los discos tienen un periodo de vida
determinado, cuando las
pastillas se gastan, se tiene que ejercer mayor presin sobre el
pedal, por que
estas no llegan a cubrir bien la superficie del disco o por que
el material se ha
deteriorado por el uso y ya no ejerce la friccin requerida. El
disco puede
deformarse por cambios sbitos entre calor y frio, mala
ventilacin o calidad de los
materiales empleados en su fabricacin.
Tambin puede rayarse por algn elemento encontrado en caminos
diversos. Si
los frenos se calientan demasiado cuando se utilizan por
periodos prolongados en
pendientes pueden presentar una falla temporal. Lo mejor es
utilizar la caja de
velocidades para detenerse y esperar que en enfren los discos
pastillas y fluido.
1.2 HISTORIA DEL FRENO
La mas reciente evidencia que tenemos acerca de la existencia de
la rueda se
remonta casi seis mil aos. Y sin embargo aun no sabemos cuando
ni como surgi
la necesidad del impedimento del avance de aquellos vehculos
primitivos. El
primer freno que puede haber existido tal vez haya sido alguna
especie de ancla o
algn dispositivo sostenido en el chasis que pudiera haber sido
enterrado en la
tierra, mientras este se mova. Cuando la bicicleta apareci hace
un par de siglos,
la nica manera de desacelerar era presionando el zapato sobre la
rueda aunque
era muy peligroso y provocaba cierto desbalance en el aparato.
Por eso, en 1783
Kirkpatrick Macmillan, un herrero escocs invento el freno de
cuchara que
consista en una palanca que presionaba un bloque de madera
contra la llanta.
Posteriormente, una mejora enorme en el poder de frenado
apareci, los frenos
de tambor (Ilustracin 1.2) de expansin interna, atribuido al
francs Louis
Renault.
9
-
Ilustracin 1.2. Freno de tambor
Inicialmente los tambores eran de acero estampado, lo que
aumentaba el ruido de
la frenada que generalmente no era muy agradable. Los tambores
de hierro
fundido aparecieron poco despus y en 1919 un diseo hispano-sueco
introdujo
un aluminio refinado con lneas de hierro. Los frenos de tambor
hicieron un buen
trabajo, sin embargo la disipacin de calor era un gran problema
debido a
rozamiento entre los materiales y los sistemas de refrigeracin
no eran lo
suficientemente avanzados como para mantener factible este diseo
de frenos, y
conforme las velocidades de los automviles fueron aumentando se
hacia menos
viable.
Alrededor de 1890 entran los frenos de disco (Ilustracin 1.3),
aunque sea poco
creble una de las primeras versiones de estos frenos fueron
usados en las llantas
delanteras de un coche elctrico diseado por Elmer Ambrose Sperry
en 1998, en
donde una electroimn atrae un dispositivo protector contra el
rotor.
10
-
Ilustracin 1.3. Disco de freno
En 1961 apareci el servofreno, como ayuda al esfuerzo que ejerce
el conductor sobre el pedal; y en 1965, Volvo aadi una vlvula
limitadora de presin. En 1963, Mercedes comenz a instalar de serie
sistemas de frenos con 3 circuitos. En la carrera por disipar mejor
el calor, en 1966 Porsche lanz el disco autoventilado. Abierto ya
el camino, la llegada de ms sistemas electrnicos a los frenos fue
cuestin de tiempo: en 1986 lleg el control de traccin (ASD y ASR)
que funciona en conexin con el ABS; en 1994, el ESP; en 1996, y
posteriormente la asistencia a la frenada.
11
-
1.3 CLASIFICACIN GENERAL DE LOS FRENOS
Frenado con zapatas (Ilustracin 1.4), este dispositivo esta
constituido por una
zapata que se obliga a entrar en contacto con un cilindro
solidario al eje cuya
velocidad se pretende controlar, la zapata se construye de forma
tal que su
superficie til, recubierta de un material de friccin, calza
perfectamente sobre el
tambor. Una vez ms, al forzarse el contacto entre zapata y
tambor, las fuerzas de
friccin generadas por el deslizamiento entre ambas superficies
producen el par
de frenado.
Ilustracin 1.4. Disco con zapatas
Frenos de zapatas de expansin interna (de tambor):
Los frenos de tambor tienen dos zapatas semicirculares
(ilustracin 1.5) que
presionan contra la superficie interna de un tambor metlico que
gira con la rueda.
Las zapatas estn montadas en un plato de anclaje; este plato est
sujeto en la
funda del eje trasero en la suspensin para que no gire.
12
-
Ilustracin 1.5. Vista interior de un freno de tambor
Cuando el conductor pisa el pedal del freno, la presin hidrulica
aumenta en el
cilindro maestro y pasa a cada cilindro de rueda. Los cilindros
de rueda empujan
un extremo de cada zapata contra el tambor, y un pivote, llamado
ancla, soporta el
otro extremo de la zapata.
En el ancla, generalmente hay un ajustador de freno. Cuando las
balatas, que van
unidas a las zapatas, se desgastan, hay que acercar ms las
zapatas al tambor
con un ajustador de rosca para mantener la mxima fuerza de
frenado. En algunos
automviles se debe hacer un ajuste manual a intervalos de 5,000
a 10,000
kilmetros.
Frenos con discos, el freno de disco consiste en un disco de
hierro fundido
(ilustracin 1.6) o rotor que gira con la rueda, y una pinza o
mordaza (caliper)
montada en la suspensin delantera, que presiona las pastillas de
friccin
(balatas) contra el disco.
13
-
Ilustracin 1.6. Disco de freno con caliper
La mayora de los frenos de disco tienen pinzas corredizas. Se
montan de modo
que se puedan correr unos milmetros hacia ambos lados. Al pisar
el pedal del
freno, la presin hidrulica empuja un pistn dentro de la pinza y
presiona una
pastilla contra el rotor. Esta presin mueve toda la pinza en su
montaje y jala
tambin la otra pastilla contra el rotor. (Ilustracin 1.7)
14
-
Ilustracin 1.7. Sistema bsico de frenos hidrulicos
Este sistema de frenado tiene las siguientes ventajas:
1. No se cristalizan, ya que se enfran rpidamente.
2. Cuando el disco se calienta y se dilata, se hace ms grueso,
aumentando la
presin contra las pastillas.
3. Tiene un mejor frenado en condiciones adversas, cuando el
disco desecha agua
y el polvo por accin centrfuga.
Algunas configuraciones frecuentes de los frenos de disco son
las siguientes:
15
-
Frenos de disco cerrado:
El disco se aloja se aloja en un crter solidario a la rueda. El
apriete se efecta
sobre varios sectores regularmente repartidos sobre la
periferia, el frenado se
obtiene por la separacin de dos discos, cada uno de los cuales
se aplica contra la
cara interna correspondiente del crter giratorio.
Freno de disco exterior:
El disco es solidario del rbol o de la rueda. El apriete se
efecta mediante un
sector limitado y rodeado por unos estribos, en el interior de
los cuales se
desplazan unos topes de friccin.
El frenado con discos se puede realizar mediante:
1) Discos: Inicialmente fueron de acero, ahora suelen ser de
fundicin.
2) Pastillas: Suelen ser de aleaciones de cobre, estos elementos
de frenado se
colocan en la rueda directamente o en el cuerpo del eje.
Ventajas:
Frenado poco ruidoso. - Menores gastos de conservacin.
- Mayor periodo de vida.
- La mayor parte del calor desprendido durante el frenado la
absorben los
discos, a los cuales se les proviene de un sistema de
ventilacin.
- Materiales protegidos de agentes externos.
- Se comportan bien hasta los 230 Km/h; a partir de esta
velocidad el
desgaste aumenta considerablemente.
Mayor distancia de parada
16
-
1.4 CRITERIOS DE DISEO PARA DISCOS DE FRENOS
Los discos de freno (Ilustracin 1.8) son la superficie contra la
cual interactan las
pastillas para frenar el vehculo, debido a que el disco gira
solidario con las
ruedas. Ese rozamiento entre discos y pastillas produce la
transformacin de
energa cintica en energa calorfica, provocando una reduccin de
la velocidad.
Los discos de freno no solo deben producir la transformacin de
energa sino que
adems deben de conseguir que el calor producido sea transmitido
a la atmsfera
lo ms rpidamente posible, ya que sino, las temperaturas a las
que operara el
sistema seran muy elevadas llegando incluso al colapso del
sistema.
Ilustracin 1.8. Disco de freno
17
-
Este capitulo muestra la metodologa empleada para el diseo del
disco del
sistema de frenado del vehculo gokart, desde el diseo de la
geometra hasta la
realizacin de ensayos funcionales.
El desarrollo de discos de freno se aplicar disciplinas tales
como Mecnica,
Termodinmica, Metalotecnia, Fabricacin, Acstica y Vibraciones,
Electrnica,
etc. Para poder llevar a cabo el diseo, se debe contar por lo
menos con un
programa de simulacin y anlisis estructural.
Durante el diseo de los discos de freno, se hace necesario
considerar diferentes
aspectos geometra, peso, material, mxima temperatura de trabajo,
resistencia al
agrietamiento, Deformacin trmica, colada.
El material escogido para fabricar los discos de freno es la
fundicin gris nodular
de grafito laminar, ya que garantiza una estabilidad de las
prestaciones durante el
periodo de vida de los discos. Existen tambin, discos de
materiales compuestos
en matriz de carbono, usados en la alta competicin y en los
frenos de los
aviones, aunque debido al alto coste que tienen son inviables
para los vehculos
comunes. En la actualidad se estn desarrollando discos de freno
en aluminio con
una base de carburo de silicio, ya que su menor peso los hacen
muy atractivos,
pero la mala disipacin de calor que tienen los hacen inviables
de momento, ya
que necesitan un sobredimensionamiento importante que hacen que
pierdan las
ventajas del reducido peso.
Las caractersticas bsicas de la fundicin de los discos la
podemos ver la siguiente tabla.
Propiedades fsicas Valores Resistencia a traccin 240 N / mm2
Dureza 170 250 HB
18
-
La composicin bsica del material de los discos es una fundicin
gris nodular de
grafito laminar, que contiene del hierro otros componentes
bsicos tales como el
silicio, manganeso y otros garantizan la calidad de un elemento
crtico en el
frenado como es el disco. En el grfico siguiente podemos ver el
porcentaje de los
diferentes materiales que junto con el hierro, que supone el 93%
del total, el resto
de materiales suponen entre el 7% y el 8% que resta de la
composicin total del
disco. Es deseable, en la fase de diseo, poder analizar las
distintas alternativas de
diseos y materiales, empleando modelos virtuales que reproduzcan
el
comportamiento trmico y mecnico del freno. Sin embargo,
cualquier nuevo
diseo debe ser validado bien en banco de pruebas. Ambos modos de
estudio,
simulacin y experimentacin deben estar incorporados en la
metodologa de
diseo de discos de freno si se quiere que sea realmente
vlida.
El conocimiento de las propiedades fsicas, tales como las
trmicas y las
mecnicas, es un importante punto para el diseo de los discos de
freno.
El rango de temperaturas de trabajo en los discos es muy amplio
y sta es
la razn para conocer las variaciones de las propiedades frente a
la temperatura.
Propiedades como la conductividad trmica, calor especfico,
expansin trmica y
resistencia a la traccin, etc., cambian significativamente sus
valores con la
temperatura.
El sobredimensionamiento de las superficies de friccin es
consecuencia casi
exclusiva del problema que plantea la evacuacin del calor que se
produce en el
frenado y que es directamente proporcional a la masa del vehculo
al cuadrado de
la velocidad del mismo.
El comportamiento de los frenos de disco frente al calor es
mejor que el de los de tambor ya que reciben el calor simtricamente
sobre las superficies de friccion y las ruedas lo disipan
directamente a la atmosfera.
19
-
Esto evita la formacin de puntas calientes, grietas y fisuras en
el material. En los frenos de tambor el calor debe pasar a travs
del espesor del material, produciendo fenmenos de dilatacin que
repercuten en la eficacia del frenado.
1.4.1 EFECTOS DE LA TEPERATURA
Con vistas a reducir el mximo la temperatura alcanzada en las
frenadas de parada, es preciso aumentar al mximo la superficie del
freno de friccin.
Entre los efectos que origina el aumento de la temperatura en
los elementos de frenado esta el fenmeno llamado fading, que
consiste en la perdida de eficacia que se manifiesta en
determinadas condiciones y circunstancias. Se pueden distinguir
diferentes tipos de desvanecimiento o fading.
El desvanecimiento clsico es debido al aumento de la temperatura
media delos frenos, cuando se circula por una ruta en que deben
usarse con frecuencia. Es caracterstico de los frenos de tambor, la
causa de dicho efecto reside en que la dilatacin del tambor es mas
rpida que la de las zapatas. Con lo cual existe una perdida de la
carrera del pedal y disminuye el esfuerzo de frenada. Tambin se
origina por la disminucin del coeficiente de rozamiento de las
superficies frenantes al calentarse. Este fenmeno afecta a disco de
tambor y de disco.
El desvanecimiento a altas velocidades es el debilitamiento de
los frenos cuando se circula a gran velocidad y se usan
repetidamente. Tiene especial inters en los vehculos de competicin.
Este fenmeno esta motivado por la excesiva disminucin del
coeficiente de rozamiento.
El desvanecimiento retardado se produce en ciertas ocasiones
despus de un calentamiento importante y transcurrido un cierto
tiempo de haber empleado el freno. Puede ser muy peligroso cuando
se afecta por igual a los frenos de un mismo eje y ala reparticin
de frenada entre ejes. Cuando se produce son necesarios grandes
esfuerzos sobre el pedal para obtener la desaceleracin deseada.
El desvanecimiento por agua tiene lugar cuando las superficies
frenantes son alcanzadas por el agua. Los frenos de disco quedan
expuestos a dicha anomala mas fcilmente que los de tambor.
20
-
1.4.2 LA GEOMETRA DEL DISCO DE FRENO. La geometra de los discos
de frenos siempre es la misma, es decir, una superficie
circular perfectamente plana. Vamos a ver a continuacin, las
soluciones que se
han ido aportando para mejorar la disipacin del calor que
almacena el disco.
(Ilustracin 1.9)
En primer lugar vamos a ir comentando las diferentes partes de
las que est
compuesto un disco.
Ilustracin 1.9. Geometra de disco de freno
LA PISTA: es la superficie en la cual tiene lugar la accin de
friccin entre las
pastillas y el disco. Est dimensionada de forma que su potencia
de disipacin se
acerque al valor de 250 W/cm2, pero dicho valor puede variar
dependiendo de la
geometra del disco, ya que si este es ventilado el valor de la
potencia de
disipacin puede alcanzar un valor de 750 W/cm2. Por encima de
dichos valores,
pueden aparecer daos en el disco, tales como deformaciones
geomtricas,
grietas, depsitos de material de friccin u otros que daaran el
disco de forma
irreversible.
21
-
FIJACIN: La fijacin de los discos est situada en la parte
central del mismo.
Existe un taladro donde se aloja el buje, as como por la parte
trasera un chafln
que debe de apoyarse perfectamente en la mangueta para que el
ajuste del disco
sea perfecto. Alrededor del taladro donde se aloja el buje, la
fijacin tiene un cierto
nmero de taladro que permiten el paso de los pernos de anclaje
de la rueda. En
la mayora de los discos la fijacin del disco se garantiza por
unos taladros de
menor dimetro que fijan el disco.
LA CAMPANA: La campana es el cilindro que une la banda, con el
plano de
fijacin. En algunos casos en el interior de la campana s esta
aprovechando para
montar un pequeo sistema de freno de tambor de accionamiento
mecnico, con
la finalidad de que sirva de freno de estacionamiento
EL FILTRO TRMICO: El filtro trmico es un canal mecanizado, que
separa la
pista de la fijacin, para reducir el calor que pasa de la pista
haca la campana.
Con este tipo de canales se evita el calentamiento excesivo de
la llanta y por
consiguiente del neumtico que ya sufre los efectos de la
temperatura por su
propio uso.
El principio de funcionamiento de los frenos como ya hemos visto
anteriormente se
basa en que la energa cintica que lleva el vehculo debe de
disiparse en forma
de calor. Este calor se acumula principalmente en los
discos.
Pero lgicamente los discos no pueden almacenarlo infinitamente,
sino que debe
ser disipado a la atmsfera de una forma eficiente. La forma ms
sencilla es
realizar una circulacin de aire que, en contacto con el disco,
se caliente y
mantenga la temperatura del disco en valores razonables a
efectos de su
integridad mecnica.
22
-
Los discos deben de desempear dos funciones principales: mover
el aire a su
alrededor como lo hara un ventilador, y transmitir su energa a
la atmsfera como
lo hace un radiador.
Para cumplir la primera de sus funciones, la propia geometra del
disco hace que
sea posible la circulacin del aire desde la campana haca el
exterior de la pista
(ilustracin 1.10). Adems la velocidad de dicho aire es mayor
cuanto mayor sea
la temperatura que va adquiriendo. Este proceso se da en los
discos macizos, que
cumple con su funcin cuando la energa que han de disiparse es
reducida o
media. Cuando la energa trmica disipada aumenta, las superficies
de un disco
macizo ya no son suficientes. Si se intentase aumentar su tamao
tendramos la
limitacin impuesta por el tamao de la rueda por lo cual la
solucin adoptada por
unanimidad es el disco ventilado que permite una mayor disipacin
trmica en el
mismo espacio.
Ilustracin 1.10. Campana exterior
El disco ventilado es la composicin de dos pistas separadas por
aletas en su
interior. Estas aletas garantizan la cohesin del disco
permitiendo el paso de aire
23
-
por su interior. Gracias a estas aletas, el enfriamiento del
disco no solo se produce
en la superficie exterior del disco sino que adems se produce su
enfriamiento por
el interior. Este intercambio de energa depende en gran medida
de la forma y la
orientacin de las aletas, ya que en algunos casos las aletas se
oponen al
movimiento del aire en su interior con lo cual su utilidad es
negativa. Por ello debe
existir un compromiso entre la eficacia y la orientacin - forma
de las mismas.
Generalmente son radiales y por lo tanto la colocacin de los
discos en la rueda
izquierda o derecha, no afecta a las propiedades
autoventilantes.
Sin embargo existe alguna aplicacin en el mercado en la cual las
aletas estn
orientadas de tal forma que obligan a que esos discos sean
montados en una
rueda o en la otra, ya que no sera eficaz su ventilacin si se
intercambiara su
ubicacin. (Ilustracin 1.11)
Ilustracin 1.11. Aletas de enfriamiento
Una de las mejoras ms significativas encaminada a la reduccin de
la
temperatura que alcanza la campana del disco, se consigue
mediante una ranura
24
-
en forma de canal en la zona situada entre la campana y la banda
frenante del
disco, lo que antes hemos denominado filtro trmico. La seccin de
paso de calor
se reduce, el gradiente trmico aumenta, es decir, la diferencia
de temperatura
entre un lado del canal y el otro se hace mayor, lo cual hace
que la temperatura de
la campana sea menor. Esto es muy importante ya que el calor que
se transfiere a
la llanta y por consiguiente a la goma del neumtico es menor,
consiguiendo as
que no sufra en exceso la carcasa del neumtico. Tambin se
consigue una
reduccin en la deformacin del disco al reducirse la temperatura
de la campana y
sus consiguientes tensiones trmicas.
En los discos ventilados la fabricacin de un espesor diferente
entre las bandas
reduce la deformacin del mismo. Esto se consigue aumentando el
espesor de la
pista que va unida a la campana exclusivamente, ya que de
aumentar el espesor
de las dos pistas, el grueso total del disco aumentara
excesivamente con la
necesaria reduccin del grueso del material de friccin.
Existen discos fabricados en dos piezas independientes, nacidos
para la
competicin. Estos discos constan de una corona de hierro fundido
a modo de
pistas frenantes y un buje de aleacin de aluminio. Las dos
partes son solidarias
gracias a unos casquillos de fijacin. Durante la frenada el
disco presenta dos
partes diferenciadas: las bandas frenantes (parte caliente) y la
campana (parte
fra). Este tipo de disco soluciona los problemas de deformacin,
ya que las
bandas frenantes pueden dilatarse sin provocar tensiones que
creen grietas.
Este tipo de discos permite la deformacin radial de las pistas
evitando las
deformaciones permanentes y las tensiones. Adems supone una
reduccin
importante del peso del conjunto. Sin embargo, dado su elevado
coste,
normalmente solo se utiliza este tipo de disco en competicin
pero son la solucin
ms extendida en las motocicletas.
25
-
1.4.3 PROBLEMAS PRINCIPALES ASOCIADOS A LOS DISCOS.
APRIETE INCORRECTO
El apriete excesivo de los discos crea grietas en la superficie
de la campana que
apoya sobre el buje. Estas grietas puede no ser visibles, o ser
simplemente un
principio ser deformacin que con el paso del tiempo y los
continuos cambios de
temperatura, producen, en casos extremos, que se acabe
desprendiendo la
campana de la banda frenante. Este problema tambin se produce
por no respetar
ni el orden de apriete ni las presiones de apriete, determinadas
en este captulo,
para los neumticos.
Esta deformacin es perceptible desde el principio del montaje y
se detecta por
vibraciones tanto en el pedal como en el volante con
independencia de la
velocidad, de la presin o de la temperatura del sistema de
freno, con lo que
resulta fcil atribuir este problema a un apriete incorrecto del
disco o al montaje de
un disco de freno defectuoso o mal mecanizado.
MONTAJE INCORRECTO DE LA PINZA (CALIPER)
Si la pinza no ha sido colocada correctamente en su posicin
apreciaremos un
desgaste irregular de las pastillas en forma cnica y
antisimtrica. Se puede
apreciar el defecto desde el principio del montaje ya que
escucharemos ruidos
muy fuertes al frenar, as como el golpeo de las pastillas y una
fuerte reduccin de
la eficacia del sistema de freno. (Ilustracin 1.12)
26
-
Ilustracin 1.12. Disco defectuoso por mal montaje de la
pinza
EXCESIVA HOLGURA DE LOS RODAMIENTOS DEL BUJE
Una excesiva holgura de los rodamientos del buje provoca un
desgaste irregular
de las bandas frenante de los discos. Se observa un
recalentamiento del disco
localizado en la zona donde rozaban las pastillas al girar el
disco, debido a la
holgura en los rodamientos del buje.
Adems se aprecia un desgaste excesivo en la zona en la que el
contacto era
permanente. Se notaran vibraciones frecuentes desde el principio
que cada vez se
irn haciendo ms graves. (Ilustracin 1.13)
27
-
Ilustracin 1.13. Disco defectuoso por holguras en los
rodamientos.
TEMPERATURA EXCESIVA: Los discos presentan vivos colores en la
gama de los azules, que principalmente
son visibles en la zona del filtro trmico donde se une las
pistas frenantes con la
campana. Esta zona cambia de color al sufrir un calentamiento
brusco que
transforma la estructura del material. (Ilustracin 1.14)
28
-
Ilustracin 1.14. Disco defectuoso por ser sometido a
temperaturas excesivas.
El aumento de la temperatura hace variar la estructura del
material de los discos
que incluso puede formar zonas de cementita (Fe3C), cuya
estructura es nefasta
para el sistema de frenos. Ya que la cementita es una estructura
del hierro muy
dura que provoca la aparicin de vibraciones en el sistema de
freno y un
comportamiento del material de friccin diferente cuando entra en
contacto con
esa parte del disco.
En comparacin con el resto de la superficie del disco, en la
zona donde se ha
formado cementita, el coeficiente de friccin (m) es diferente,
lo
tiene como resultado la diferencia de comportamiento del
material de friccin en
afectada por la transformacin de la estructura. Adems en esta
zona se
acumulan tensiones trmicas que favorecen la aparicin y
propagacin de grietas.
29
-
Para que este problema no aparezca es necesario el rodar las
pastillas y los
discos nuevos durante unos 250 o 300 km. Periodo durante el cual
las frenadas
deben de ser suaves y progresivas. Y luego durante la vida de
los discos evitar el
calentamiento excesivo de los mismos.
Dicho calentamiento excesivo, suele tener los orgenes claramente
diferenciados:
una conduccin en condiciones lmite, o la costumbre de algunos
conductores de
mantener el pe sobre el pedal, ejerciendo poca presin, en
descensos
prolongados para retener el vehculo.
Este problema provoca vibraciones en los discos debido a las
transformaciones
estructurales del disco sufridas por los excesos de temperatura.
Adems estas
vibraciones se harn cada vez ms pronunciadas con el paso de los
kilmetros.
DESGASTE POR ENCIMA DEL LMITE MXIMO.
Cuando el disco ha sido usado ms all de su vida til es decir,
cuando se han
sobrepasado el espesor mnimo expresado por el fabricante,
aparece un escaln
en las pistas del disco que provoca una reduccin de la masa del
disco. Esto
produce la mala disipacin del calor debida a la perdida de masa
comentada
anteriormente. Lo que llevar a un calentamiento excesivo,
provocando la
aparicin de grietas, as como manchas de color ms oscuro debido
al
sobrecalentamiento de dichas zonas. (Ilustracin 1.15)
30
-
Ilustracin 1.15. Disco defectuoso por un excesivo superior a su
lmite mximo.
Es importante recordar que la perdida de masa del disco provoca
que disminuya la
conductividad trmica del mismo con lo cual se produce un aumento
de la
temperatura mucho mayor y ms rpida. Debido a ese exceso de
temperatura los
discos se deforman con la consiguiente aparicin de ruido y
vibraciones.
DISCOS AGRIETADOS
Los discos han sido sometidos a temperaturas de funcionamiento
muy altas. En la
parte exterior del disco se ven claros sntomas de
sobrecalentamiento. Las altas
temperaturas favorecen la aparicin de las grietas, las cuales se
forman al existir
pequeos poros en el material, los cuales debido a las altas
temperaturas,
crecern hasta forman la grieta. Las grietas hacen que el disco
sea frgil, lo cual
en definitiva, favorece el crecimiento de la grieta hasta romper
en los partes el
disco. (Ilustracin 1.16)
31
-
Ilustracin 1.16. Disco defectuoso por un la aparicin de
grietas.
Las grietas se producen debido a las deformaciones a las que son
sometidos los
discos y los impactos que las pastillas producen sobre los
mismos. Se provocan
vibraciones y existe la posibilidad de que una de las grietas
crezca tanto que
rompa el disco, con el consiguiente riesgo que ello conlleva.
Antes de llegar a la
rotura del disco, las caractersticas friccinales del conjunto
pastilla / disco se ven
fuertemente alteradas como consecuencias de la ruptura de la
tercera capa.
Con resultados imprevisibles sobre el frenado del vehculo y en
cualquier caso
mostrando un desgaste prematuro de las pastillas de freno. En la
imagen vemos
como el desgaste prematuro de las pastillas ha hecho muescas en
el disco. Se
aprecia claramente el surco que el soporte de la pastilla ha
dejado sobre el borde
exterior del disco.
32
-
1.5 METODO DEL ELEMENTO FINITO (FEM)
El mtodo del elemento finito (MEF en castellano o FEM en ingls)
es un mtodo numrico muy general para la aproximacin de soluciones
de
ecuaciones diferenciales parciales muy utilizado en diversos
problemas de
ingeniera y fsica.
El mtodo se basa en dividir el cuerpo, estructura o dominio
(medio continuo)
sobre el que estn definidas ciertas ecuaciones integrales que
caracterizan
el comportamiento fsico del problema en una serie de subdominios
no
intersectantes entre s denominados elementos finitos. El
conjunto de
elementos finitos forma una particin del dominio tambin
denominada
discretizacin.
Dentro de cada elemento se distinguen una serie de puntos
representativos
llamados nodos. Dos nodos son adyacentes si pertenecen al
mismo
elemento finito; adems, un nodo sobre la frontera de un elemento
finito puede
pertenecer a varios elementos.
El conjunto de nodos considerando sus relaciones de adyacencia
se llama
malla. (Ilustracin 1.17)
33
-
Ilustracin 1.17. Malla en 2D
Los clculos se realizan sobre una malla o discretizacin creada a
partir del
dominio con programas especiales llamados generadores de mallas,
en una
etapa previa a los clculos que se denomina pre-proceso.
De acuerdo con estas relaciones de adyacencia o conectividad se
relaciona el
valor de un conjunto de variables incgnitas definidas en cada
nodo y
denominadas grados de libertad. El conjunto de relaciones entre
el valor de
una determinada variable entre los nodos se puede escribir en
forma de
sistema de ecuaciones lineales (o linealizadas).
La matriz de dicho sistema de ecuaciones se llama matriz de
rigidez del
sistema. El nmero de ecuaciones de dicho sistema es proporcional
al nmero
de nodos.
34
-
Tpicamente el mtodo de los elementos finitos se programa
computacionalmente para calcular el campo de desplazamientos
y,
posteriormente, a travs de relaciones cinemticas y constitutivas
las
deformaciones y tensiones respectivamente, cuando se trata de un
problema
de mecnica de slidos deformables o ms generalmente un problema
de
mecnica de medios continuos. (Ilustracin 1.18)
Ilustracin 1.18. Solucin en MEF en 2D
35
-
El mtodo de los elementos finitos es muy usado debido a su
generalidad y a
la facilidad de introducir dominios de clculo complejos (en dos
o tres
dimensiones).
Adems el mtodo es fcilmente adaptable a problemas de difusin del
calor,
de mecnica de fluidos para calcular campos de velocidades y
presiones
(fluidodinmica CFD) o de campo electromagntico.
Dada la imposibilidad prctica de encontrar la solucin analtica
de estos
problemas, con frecuencia en la prctica ingenieril los mtodos
numricos y, en
particular, los elementos finitos, se convierten en la nica
alternativa prctica
de clculo.
Una importante propiedad del mtodo es la convergencia; si se
consideran
particiones de elementos finitos sucesivamente ms finas, la
solucin numrica
calculada converge rpidamente hacia la solucin exacta del
sistema de
ecuaciones.
36
-
1.6 FUNDAMENTOS ESTRUCTURALESError! Marcador no definido.
1.6.1 Relacin Esfuerzo-Deformacin
Esta seccin discute la relacin de material para materiales no
lineales.
El esfuerzo se relaciona a la deformacin por:
{}=[D]{l}
Donde:
{} = Vector Esfuerzo =[x y z xy yz xz]T
[D] = Elasticidad o matriz de rigidez elstica o matriz de
esfuerzo deformacin
{el} = {} - {th} = vector de deformacin elstica
{} = vector deformacin total =[x y z xy yz xz]T
{th} = vector deformacin trmica
Nota
{el} son las deformaciones que causan esfuerzos.
La deformaciones por cortante (xy, yz, and xz) son dos veces las
deformaciones
por cortante en tensin. La notacin es comnmente usada para
las
deformaciones por cortante en tensin.
37
-
La convencin de signos para esfuerzos directos y deformaciones
usada es que la
tensin es positiva y compresin es negativa. Para cortantes,
positivo es cuando
los dos ejes positivos aplicables rotan una hacia la otra.
Definicin del vector de esfuerzo
La ecuacin tambin podra ser invertida como:
{}=[D]{th}+[D]1{}
La flexibilidad o matriz de cumplimiento, [D]-1 es:
Donde los trminos tpicos son:
Ex = modulo de Young en la direccin de x
xy = relacin mayor de Poisson
38
-
yx = relacin menor de Poisson
Gxy = modulo de cortante en el plano xy
Tambin las matriz [D]-1 se presume es simtrica, entonces:
=
=
=
Ya que las tres relaciones anteriores, xy, yz, xz, yx, zy, y zx
no son cantidades
independientes. El uso de la relacin de Poisson para materiales
ortotropicos
algunas veces causa confusin, por lo tanto se debe tener cuidado
en su uso.
Asumiendo que Ex es mas grande que Ey, xy es mas grande que yx .
Por lo tanto,
xy es comnmente referido como la relacin de Poisson mayor, esto
por que
mas grande que yx, que es comnmente referido como la relacin de
Poisson
menor.
Expandiendo la ecuaciones anteriores,
=
39
-
=
=
=
=
=
Donde los trminos tpicos son:
x = deformacin directa en la direccin de x
x = esfuerzo directo en la direccin de x
xy = deformacin cortante en el plano x-y
xy = esfuerzo cortante en el plano x-y
Desarrollando las ecuaciones y combinado los resultados para
obtener las sies
ecuaciones explicitas:
=
=
40
-
=
=
=
=
Donde:
h=
La matriz [D] debe ser definitivamente positiva. El material es
siempre es definitivo
positive si el material es isotropic o si xy, yz, y xz son todos
cero.
1.5.2 Transformacin de Materiales Ortotropicos
La conversin del modulo de Young es bastante directo, considerar
primero como
se transforma de su sistema global cilndrico a el sistema global
cartesiano como
se usado por los elementos simtricos para un disco.
Esto es, ER Ex, E Ez, EZ Ey. comenzando con el sistema
global
cartesiano.
=
Reordenado para que los ejes R--Z coincidan con los ejes
x-y-z.
41
-
=
Si uno de los sistemas coordinados usa la relacin de Poisson
mayor y la otra usa
la relacin de poisson menor se tendr que hacer un ajuste
adicional.
Comparando las ecuaciones resultara:
=
=
=
=
=
=
Esto asumiendo que xy, yz, xz and RZ, R, Z son todos relaciones
de Poisson
mayores.
= = relacin de Poisson mayor
42
-
2 CAPITULO II
DISEO DE UN DISCO Y SOPORTE DE ESTE PARA UN FRENO EN MECHANICAL
DESKTOP
2.1 DIBUJO DE SLIDOS ASISTIDOS POR COMPUTADORA
2.1.1 DEFINICIN DE DISEO
Diseo se refiere al proceso de creacin y desarrollo para
producir un
nuevo objeto para uso humano.
Es el proceso previo de configuracin mental "pre-figuracin" en
la
bsqueda de una solucin en cualquier campo, es decir, Plasmar el
pensamiento
de la solucin mediante esbozos, dibujos, bocetos o esquemas
trazados en
cualquiera de los soportes, durante o posteriores a un proceso
de observacin de
alternativas o investigacin. Esta herramienta es aplicada en
muchas disciplinas
ingeniera, arquitectura y otras disciplinas creativas.
El disear requiere principalmente consideraciones funcionales y
estticas.
Esto necesita de numerosas fases de investigacin, anlisis,
modelado, ajustes y
adaptaciones previas a la produccin definitiva del objeto. Adems
comprende
multitud de disciplinas y oficios dependiendo del objeto a
disear y de la
participacin en el proceso de una o varias personas.
Comprende al final del proceso de diseo (dibujo, proyecto,
maqueta, plano
o descripcin tcnica), o (ms popularmente) al resultado de poner
ese plan final
en prctica (el objeto producido).
43
-
2.1.2 DEFINICION DE MODELADO GEOMTRICO
El modelado forma parte del diseo y se define de la siguiente
manera: la
creacin de una estructura o imagen de un objeto real o a partir
de un modelo ya
existente. El modelado se refiere generalmente a la creacin
manual de una
imagen tridimensional (modelo) del objeto real, por ejemplo en
arcilla, madera u
otros materiales.
-Modelado de slidos paramtrico.
Es un fcil diseo en 3D que incluye herramientas de clculo de
propiedades
fsicas, gestin de restricciones geomtricas y operaciones de
modelado.
-Modelado de superficies complejas.
Diseo de superficies complejas y fcil manipulacin basadas en
modelos
almbricos, mediante operaciones como solevados, extrusiones, o
revoluciones. A
partir de las superficies se puede adems generar modelos slidos
en 3D.
-Gestor de dibujo asociativo.
Generacin automtica de vistas asociativas bidireccionales
detalladas con
listados de materiales y marcas de piezas.
44
-
2.2 DISEO DE UN DISCO DE FRENO VENTILADO PARA UN GO KART
2.2.1 MECHANICAL DESKTOP
El Autodesk Mechanical Desktop, que forma parte ahora del
Autodesk Inventor Series, nos permite llevar a cabo prcticamente
todas las tareas en 2D y 3D de
diseo, anlisis y fabricacin necesarias para la produccin, desde
un nico
entorno (basado en AutoCAD), de forma rpida y econmica
El Autodesk Mechanical Desktop es un completo y poderosos
modelador
paramtrico de slidos, ensambles y superficies para el diseo de
partes
complejas, completamente integrado dentro del AutoCAD.
Antes de comenzar tomemos en cuenta que Mechanical Desktop no
tiene nocin
sobre el tipo de pieza que estamos diseando, si de manera previa
no se realiza
una Parametrizacin completa es posible que Mechanical Desktop
altere la
geometra de manera poco lgica, creando que la misma se
intercepte entre si o
se deforma. Esto permite suponer que la mayor parte del trabajo
de
Parametrizacin ser por as decirlo de corregir o guiar a
Mechanical.
45
-
2.3 PASOS PARA DISEO DE UN DISCO EN MECHANICAL DESKTOP
2.3.1 CONFIGURACIN DE UNA HOJA DE DISEO EN MECHANICAL
DESKTOP.
-Una vez abierto un archivo nuevo, comencemos por la
configuracin de Layers,
limites, grids y snap. Se recomiendan unos limites de 280,215
(tamao carta), un
gris de 10 mm y un snap de 5.00 mm, ver la ilustracin I.
Ilustracin 2.1
46
-
2.3.2 GENERACIN DE LAYERS.
-Para generar los layers seleccione el icono de INSERT en la
barra de Mechanical
Main, luego aparece una ventana, seleccionamos LAYOUT, NEW
LAYOUT, nos
pide un nombre y un color, ver la ilustracin 2
Ilustracin 2.2
47
-
2.3.3 COMO HACEMOS UN CIRCULO.
-Comenzamos con la operacin de un circulo 160mm en 2D, para esto
se debe de
buscar en la barra de men principal el comando DESIGN luego se
abre una
ventana con varias opciones y seleccionamos la opcin de CIRCLE
despliega otra
ventana, escogemos la opcin de CENTER, RADIUS, en seguida nos
pide un
punto donde empezara desde el centro hacia fuera como se muestra
en esta
ilustracin 3
Ilustracin 2.3.Ventanas que despliega para la operacin de un
crculo
48
-
-Despus de haber hecho la operacin anterior se mostraran en
pantalla los
crculos, Checa la ilustracin 2.4.
Ilustracin 2.4
49
-
2.3.4 COMO CREAR UN PROFILE DE UN DIBUJO.
-Una ves que se tiene el contorno del disco a disear se tiene
que hacer una sola
pieza es decir que no tenga la lnea descontinuada para esto se
debe de hacer un
PROFILE A SKETCH , para esto debemos seleccionar el icono pro
file que se
encuentra en la barra de herramientas del lado izquierdo de la
pantalla, despus
nos pide que seleccionemos el objeto u objetos para poder
hacerlo una sola lnea ,
damos clik derecho , enter y en la ventana del lado izquierdo
aparecer un icono el
cual tendr como nombre PROFILE 1, en la ilustracin 5 nos muestra
como debe
de quedar.
Ilustracin 2.5
50
-
-En la parte izquierda de la pantalla en el BROWSER nos debe
aparecer la operacin como lo muestra en la ilustracin 6.
Ilustracin 2.6
51
-
2.3.5 OPERACIN DE EXTRUSIN.
-Buscamos el icono de Extrusin en la barra de herramientas
izquierdo, clik
izquierdo.
-Nos aparece una ventana que nos pide una distancia la cual
conocemos como
ancho , en la parte de abajo nos pide desde donde quieres que
empiece la
operacin de este objeto , como lo muestra en la ilustracin
7.
Ilustracin 2.7
2.3.5.1 IDENTIFICACIN DE LA OPERACIN DE EXTRUSIN RESUELTA.
52
-
-Cuando ya se tiene esta operacin debe de aparecer en la ventana
de
BROWSER, como lo muestra en la ilustracin 8.
Ilustracin 2.8
53
-
2.3.5.2 COMO HACER LA IMAGEN EN UN SLIDO.
-Despus de tener la operacin de extrusin para poder corroborar
como lo dibujo
podemos checarlo.
-En la barra de herramientas de la parte superior derecha
localizamos el icono
TOGGLE SHADING/WIREFRAME, le damos clik izquierdo y nos debe
de
aparecer el dibujo que hemos estado dibujando pero en slido, ver
ilustracin 9.
Ilustracin 2.9
54
-
2.3.6 REALIZACIN DE LOS TRES BARRENOS DE SUJECIN DEL DISCO
(GUA PARA LOS TORNILLOS).
-En este paso lo que se debe considerar es una gua para meter
los tornillos de
sujecin que son 3 como se muestra la figura para esto tenemos
que hacer
primero un circulo de dimetro 20mm,
-Se realizo un pro file a este circulo.
- Para poder hacer una perforacin al disco se considero como una
extrusin pero
con el modo de cortar
-La profundidad del corte fue de 1mm, solo fue para tener una
gua del tornillo,
como lo muestra la ilustracion10.
Ilustracin 2.10
55
-
2.3.6.1 CONVERTIR LOS CRCULOS Y LAS OPERACIONES EN UN SLIDO.
-Para asegurarnos del termino de esta extrusin podemos verlo
seleccionando el
icono de slido, en cuanto nosotros seleccionamos el icono la
figura se volver
slido as se podr ver lo que se hizo, como lo muestra en la
ilustracin 11.
Ilustracin 2.11
56
-
2.3.7 PERFORACIN DE LOS TRES BARRENOS DE SUJECIN DEL DISCO.
-En este siguiente paso se har lo mismo que el anterior solo que
con un dimetro
ms pequeo, el cual tiene un radio de 5mm, as como lo muestra la
ilustracin 12
estar ms pequeo que el anterior
Ilustracin 2.12
57
-
2.3.8 DISTRIBUCIN ADECUADA DE LOS TRES BARRENOS, UTILIZACIN
DEL COMANDO ARRAY.
-Una vez que se tiene el crculo adecuado se recomienda que para
tener una
buena distribucin adecuada se utilice el comando ARRAY el cual
nos ayudara
para tener una distribucin geomtrica de los tres barrenos.
-Se hace nuevamente un pro file
En la ilustracin 13 nos muestra lo sucedido con el comando
array.
Ilustracin 2.13
58
-
-Despus de realizar el pro file, se hace la extrusin la cual nos
despliega una
ventana que nos pide que operacin, CUT, JOIN, INTERSECT,
escogemos la
opcin CUT.
-Debajo de esa operacin tenemos otra la cual nos pide que tipo
de corte quiere
que haga, escogemos la operacin THRONGH para que pueda atravesar
el slido
como lo muestra en la ilustracin 14.
Ilustracin 2.14
59
-
-Para poder mostrar el disco en slido damos clik en el icono
para slido que ya
mencionamos anteriormente, como en la ilustracin 15.
Ilustracin 2.15
-As podremos ver lo que hizo despus de darle la operacin
anterior, las
perforaciones en el disco, ver ilustracin 16.
Ilustracin 2.16
60
-
2.3.9 DISEO PARA EL ALIGERAMIENTO DEL DISCO.
-En este diseo del disco se agregaron unos dibujos los cuales
conocemos como
perfiles, para tener un poco mas de esttica y para tener un
mejor enfriamiento del
material
-Se hizo el dibujo con arcos, crculos.
-Para cortar se utilizo el comando TRIM, la cual nos pide que
seleccionemos
todos los elementos, luego le damos enter y nos pide que
seleccionemos la parte
a eliminar u cortar y nos queda como en la ilustracin 17
Ilustracin 2.17
61
-
2.3.10 COMO REALIZAR LAS FIGURAS (PERFILES) ALREDEDOR DEL
DISCO
EN UNA FORMA SIMTRICA.
-Para poder hacer los 8 juegos de esta figura sobre el disco en
la parte donde
frena la balata utilizamos el comando ARRAY
-Este comando nos ayuda para tener una forma adecuada de
distribucin de los
elementos a copiar.
-Primero nos despliega una ventana la cual nos pide si es polar
o rectangular, la
cual debe ser polar,
-Numero de repeticiones, que en este caso son 8
-Seleccionar un centro para tomarlo como referencia para poder
rotar las dems
imgenes.
En la ilustracin 18 lo muestra.
Ilustracin 2.18
62
-
- Tenemos la operacin resuelta y lo podemos ver en la ilustracin
19 siguiente.
Ilustracin 2.19 -Volvemos ala extrusin igual que en las
operaciones anteriores
Ilustracin 2.20
63
-
- As nos queda el slido con nuestros 8 pares de perfiles.
-Si nos podemos percatar los 8 pares estn simtricos, en cuanto a
distancia y
figura, lo podemos ver en la ilustracin 21
Ilustracin 2.21
64
-
2.3.11 REALIZACIN DE UNOS BARRENOS EN EL DISCO PARA UNA MEJOR
VENTILACIN DEL MISMO
-Para poder hacer mas ligero este disco se recomend hacerle unos
barrenos los
cuales ayudaran a enfriar a un mas el disco y para poder hacerlo
utilizamos el
comando ARRAY.
-Este comando nos pide lo mismo que en los pasos anteriores solo
cambia la
figura que seleccionamos, checar la ilustracin 22.
Ilustracin 2.22
65
-
-Con esta operacin podremos hacer una serie de repeticiones para
estos crculos
los cuales deben estar simtricos alrededor del disco, cuando nos
aparece un
cuadrito color blanco en la pantalla podremos seleccionar el
dibujo.
En la ilustracin 23 nos muestra el cuadro.
Ilustracin 2.23
66
-
-Luego nos pide que seleccionemos un centro que utiliza para que
rote el dibujo, ver ilustracin 24
Ilustracin 2.24 - Despus de esta operacin as nos queda el disco
con unos barrenos simtricos como lo muestra la ilustracin 25
Ilustracin 2.25
67
-
2.3.12 EN LA ILUSTRACIN 26 NOS MUESTRA COMO QUEDA EL DISCO
YA
TERMINADO EN EL PROGRAMA MECHANICAL DESKTOP.
Ilustracin 2.26 Disco terminado
68
-
2.4 DISEO DE UNA BASE SOPORTE PARA EL DISCO
En este segundo diseo tomaremos en cuenta varios puntos como
son:
1.-Las dimensiones de las perforaciones del disco, la cual
tenemos tres
perforaciones al centro de este disco.
2.- Se tendr que investigar que dimetro tiene la flecha para
poder adecuarnos a
este tipo de dimetros y poder dejarlo justo.
3.-Tomaremos en cuenta el dimetro de la flecha para poder fijar
esta base
soporte en ella.
4.- Este soporte estar sujeto ala flecha por medio de un
prisionero, tendremos
que investigar que tipo de prisioneros tenemos en el mercado
para poder
seleccionar uno que se adecue a nuestro proyecto.
69
-
2.4.1 LIMITES PARA LA HOJA A TRABAJAR.
-Comenzamos con nuestros limites de la hoja.
-Barra de men superior dar clik izquierdo en el icono donde esta
el comando
ASSISTl
FORMAT
DRAWING LIMITS
Despus de esto nos pide las dimensiones, deben ser 280,215 para
poder trabajar
en una hoja adecuada, como lo muestra la ilustracin 27.
Ilustracin 2.27 Limites de la hoja
70
-
2.4.2 CONFIGURACIN DE UNIDADES PARA TRABAJAR EN LA HOJA.
-El siguiente paso es tener el sistema adecuado para trabajar,
ya se en milmetros
o en pulgadas.
-Nos vamos al mismo icono ASSIST
-Despliega otra ventana la cual seleccionamos FORMAT
-Seleccionamos UNITS
-Despus de este paso despliega otra ventana y volvemos a escoger
UNITS
Ver ilustracin 28.
Ilustracin 2.28
71
-
-En esta ventana nos aparece un cuadro que nos dice TYPE:
escogemos
DESIMAL.
-En el siguiente cuadro nos dice PRESICION: podemos poner desde
decimales
hasta millonsimas, pero para este trabajo no requiere de gran
precisin ya que es
una pieza que tiene tolerancia.
-Debajo de esta ventana nos pide en que unidades queremos
trabajar le
colocamos MILIMETROS
-Despus de colocar todos estos parmetro dentro de esta ventana
le damos OK
para que continuemos con el diseo de esta base,como lo muestra
en la
ilustracin 29.
Ilustracin 2.29
72
-
2.4.3 REALIZACIN DE LOS CRCULOS PARA LA BASE SOPORTE DEL
DISCO.
-Para poder hacer los crculos debemos de seleccionar en la barra
superior el
icono que dice DESIGN
-Despliega una ventana la cual tenemos que escoger CIRCLE, en
seguida
despliega otra ventana y seleccionamos CENTER, RADIUS
-Sucesivamente repetimos los mismos pasos para poder hacer los
dems crculos
como lo muestra la ilustracin 30.
Ilustracin 2.30
73
-
2.4.4 COMO TRABAJAR CON LA HERRAMIENTA PROFILE EN EL DIBUJO.
-En la barra izquierda de este programa aparece el icono que nos
dice PROFILE A
SKETCH
-Una vez seleccionado el icono nos dice que seleccionemos el
objeto,
seleccionamos el objeto y damos clik derecho
- En la ventana izquierda donde dice Desktop Browser nos debe de
aparecer un
icono que dice profile, nos indica que la operacin esta
realizada, como lo
podemos ver en la ilustracin 31.
Ilustracin 2.31
74
-
2.4.5 COMO PUEDE VERIFICAR ESTA OPERACIN SI ESTA REALIZADA.
-Para poder hacer estos simples crculos en un slido realizamos
lo siguiente.
-Seleccionamos el icono que nos dice SKETCHED FEATURES-EXTRUDE,
le
damos clik izquierdo.
-Nos aparece una ventana la cual nos pide hacia que punto quiere
que realice la
operacin, una distancia, tipo de operacin de la extrusin.
-Despus de esto le damos OK
-Esta operacin debe ser para los tres crculos, aunque en alguno
cambie la
distancia por una operacin de corte como lo muestra en la
ilustracin 32.
Ilustracin 2.32 operacin de extrusin
75
-
-Como podemos ver las extrusiones en la ventana de Desktop
Browser son
iguales pero en el dibujo cambian, esto se debe al tipo de
operacin ya se CUT o
JOIN, dimensin que se edito en cada extrusin.
Para poder ver esta operacin de extrusin en el objeto, lo que
realizamos fue
darle clik en el icono de la barra de men superior que nos dice
Toggle
Shading/Wireframe y nos muestra la pieza en slido como lo
muestra la
ilustracin 33.
Ilustracin 2.33
76
-
2.4.6 PERFORACIN DE LA PIEZA PARA SUJETAR DE ESTOS TRES
BARRENOS AL DISCO.
-Comenzamos con un crculo de 10mm.
-Se tiene que hacer un PROFILE luego una EXTRUSION como en le
caso
anterior.
-Despus de este dibujo, una vez ya centrado el crculo seguimos
con la operacin
del comando ARRAY.
-Este comando nos despliega la una ventana la cual nos pide si
es rectangular o
polar, le damos POLAR.
-Debajo de esta nos pide que seleccionemos un centro la cual
debe ser el centro
de un crculo, nos pide seleccionar el objeto a copiar
-Luego nos pide el nmero de veces a repetir este circulo.
- Se tiene que hacer un PROFILE luego una EXTRUSION como en el
caso
anterior, se muestra en la ilustracin 34.
77
-
Ilustracin 2.34
2.4.7 REALIZACIN DE LAS TRES BASES PARA SUJETAR EL DISCO
(REDUCCIN DE PESO)
-Para este tipo de carros lo que se debe tomar en cuenta es el
peso por lo que
optamos por reducir peso en cada pieza a fabricar, claro
considerando su nivel
estructural.
Para este dise se opto por cortar el primer circulo, el cual se
har una base mas
delgada como se muestra en la ilustracin 35.
-Bueno para este soporte se hicieron las siguientes
operaciones:
-Un crculo de 25 de dimetro.
-Unas lneas tangentes al crculo pero hacia dentro.
78
-
Ilustracin 2.35
-Con el comando TRIM cortamos la parte sobrante.
-Nos pide seleccionar todos los elementos y le damos enter,
enseguida nos
pide los elementos a eliminar de este dibujo.
-As podemos tener menos peso.
-Despus de haber realizado estas operaciones , seguida de un
profile y una
extrusin la base nos queda como se muestra en la ilustracin
36.
79
-
Ilustracin 2.36
2.4.8 REALIZACIN DE LOS TRES BARRENOS PARA SUJECIN DE BARRA Y
BASE SOPORTE DEL DISCO.
-En este paso se trabajara en la parte superior de la pieza la
cual se harn las
perforaciones en la parte donde entrara la flecha, esto servir
para sujetar el
aditamento que se utilizara para poder fijar de una manera
segura la pieza con la
flecha.
-Creamos un plano de trabajo con el icono que nos dice Work
Features-Work
Plane el cual lo queremos al centro de esta figura.
-Nos despliega una ventana la cual tiene cuatro opciones,
escogemos la que nos
dice Work Axis, como nos muestra la ilustracin 37.
80
-
Ilustracin 2.37
-Una ves que tenemos este plano en la figura creamos otro plano
de trabajo, este
plano nos servir para poder hacer un circulo.
81
-
Ilustracin 2.38
-Sobre estos planos de trabajo se deber trabajar para poder
hacer los barrenos
de sujecin.
-En el plano paralelo dibujamos un crculo, despus lo hicimos un
profile y
despus lo destruimos con la operacin de CUT.
-Utilizamos la operacin de Pattern.
82
-
Ilustracin 2.39 -Nos despliega una ventana la cual nos pide el
centro de giro de esta operacin
numero de repeticiones, seleccionar el objeto a copiar.
Ilustracin 2.40
2.4.9 COMO PODER DETALLAR LA PIEZA CON LA HERRAMIENTA DEL
FILETEADO (FILLET)
-En esta pieza se considero que se poda detallar en todas sus
esquinas.
-El primer paso fue buscar el icono que dice Placed
Features-Hole.
83
-
-Despliega una serie de opciones para trabajar y escogemos la
que dice Fillet, esa
operacin nos despliega otra ventana que nos pide un radio para
poder hacer la
operacin.
- Le damos OK y nos pide que empecemos a seleccionar las
esquinas.
Ilustracin 2.41
2.4.10.-AS NOS QUEDA EL DISEO DE LA BASE PARA SUJETAR EL
DISCO
CON LA FLECHA.
84
-
-Como podemos ver en esta pieza se detallaron las esquinas para
que tuviera una
esquina muy filosa y en particular para la esttica de la pieza,
aunque sabemos
que para este tipo de carros lo que cuenta mucho es el peso.
-La base soporte tiene seis barrenos los cuales en la parte
superior son para
sujetarla a la flecha de transmisin de potencia, en la parte
inferior son para la
sujecin del disco, la cual solo con tres tornillos de 10mm basta
para la sujecin.
Ilustracin 2.42 Base y soporte del disco terminado.
85
-
3 CAPITULO III
MODELADO Y ANLISIS ESTRUCTURAL DEL DISCO DEL SISTEMA DE FRENO
PARA UN GO-KART
Una vez creada la geometra con dimensiones reales del disco
apoyndonos de
tan prctica herramienta como es el software de Diseo Asistido
por
Computadora haciendo referencia a Autodesk Mechanical Desktop;
procedemos
a modelarlo y analizar su comportamiento estructural en
condiciones de trabajo
con la ayuda de un software especializado en la rama, cabe
mencionar la
existencia de la extensa gama de software en el mercado para
realizar este tipo de
anlisis.
Particularmente nos enfocaremos en un software basado en
soluciones con
Mtodo de Elemento Finito, ANSYS ya que se adapta a nuestra
necesidad por sus
herramientas de gran versatilidad y simulacin en forma real y
eficiente. Por otro
lado, su nivel de integracin permite utilizarse desde los
sistemas CAD ms
avanzados del mercado, con posibilidad de transferencia de
informacin
bidireccional y asociativa.
En este caso tan particular, aprovecharemos la geometra creada
en Mechanical
Desktop para crear nuestro modelo en nuestro programa de Anlisis
Estructural,
de esta manera evitaremos la inversin de tiempo aprovechando la
versatilidad y
compatibilidad de ambos software.
Haremos cita a otro software que est incluido en nuestro
software de Anlisis,
ANSYS WORKBECH el cual nos permitir hacer este recorte de
tiempo, este
software ser el intermediario entre los dos anteriores,
bsicamente, la labor que
tendremos en ste ser homogeneizar las extensiones de los
archivos que
generamos en nuestro software CAD y as enfocarnos en nuestro
modelo y
trabajar en su anlisis en ANSYS.
86
-
3.1 OBTENCIN DEL CUERPO GEOMTRICO GENERADO EN CAD
3.1.1 INICIALIZACIN DEL SOFTWARE DE DISEO, MECHANICAL
DESKTOP
En esta seccin se presenta el proceso de modelado y anlisis
estructural de la
geometra particular del Sistema de Freno para un Go Kart, el
Disco de Frenado.
Comenzamos en nuestra barra de men Inicio de donde ejecutaremos
Mechanical
Desktop para obtener la geometra y comenzar a trabajarlo con
ANSYS:
1.- En el men de inicio en la barra de inicio ingresamos >
todos los programas >
Autodesk > Autodesk Mechanical Desktop:
Ilustracin 3. 1
87
-
2.- El programa se iniciar con un nuevo espacio de trabajo
predeterminado.
Ilustracin 3. 2 En este caso no utilizaremos esta area de
trabajo ya se te utiliza para generar
geometras puesto la nuetra ya existe.
3.- La siguiente instruccin ser abrir el archivo de la geometra,
en la zona de la
barra de mens dando clic en el men Abrir > Direccionamos la
ubicacin del
archivo en de inters en el fichero > Abrir:
88
-
Ilustracin 3. 3
Aqu obtenemos el resultado de la operacin anterior, nuestro
Disco de Freno:
Ilustracin 3. 4. Cuerpo geomtrico del disco del freno
89
-
3.1.2 EXPORTACIN DEL ARCHIVO ES DEL DISCO DE FRENO
Este paso es muy sencillo de realizar, forzosamente debemos
cumplir con este
paso, puesto que, el software de importacin de archivos as lo
requiere, el
proceso en marcha es muy corto, solo consta de dos pasos:
1.- En el men principal, para ser precisos en MEN FILE>
elegimos EXPORT>
IGES>.
2.- Nos proporcionar una ventana en la cual le direccionaremos
la ubicacin
donde almacenaremos el archivo de exportacin> asignamos un
NOMBRE>
GUARDAR, ilustracin 3.5.
Ilustracin 3. 5. Eleccin de la ruta de almacenamiento El tiempo
de proceso de traslacin est en relacin del tamao y la
complejidad
del cuerpo geomtrico.
En la ilustracin 3.4 apreciamos la geometra en 3D del Disco del
Freno, el cual
tiene las dimensiones reales que en su momento pasar a un
Software CAM.
Anteriormente se hizo mencin de un tercer software de apoyo para
hacer vlida
la opcin de transferir la geometra conceptual al software que
utilizaremos para
su Anlisis Estructural.
90
-
3.2 IMPORTACIN DE LA GEOMETRA DEL DISCO AL SOFTWARE
DE ANLISIS ESTRUCTURAL.
WORKBENCH es un software de la familia de ANSYS pero en esta
ocasin como
se haba marcado anteriormente, solo lo utilizaremos como medio
de transporte
de nuestra geometra para modelarlo y darle parmetros de trabajo
ANSYS y este
realice la simulacin de trabajo.
Es importante mencionar que antes de iniciar con este proceso
haber realizado la
exportacin local dentro de nuestra aplicacin de diseo, en este
caso
MECHANICAL DESKTOP, arrojndonos el archivo de la Geometra del
Disco de
Freno con extensin *.IGES ya que este es el primer requisito
para elaborar la
exportacin genrica.
3.2.1 INICIALIZACIN DEL SOFTWARE PARA EL PROCESO DE
TRASLACIN, ANSYS WORKBENCH.
1.- El proceso se describe de la siguiente manera, la aplicacin
comparte la misma
direccin de ubicacin de ANSYS, en el mismo grupo:
Ilustracin 3. 6. Inicio de la aplicacin.
91
-
No olvidemos que este paso lo podemos ahorrar usando los accesos
directos que
podemos generar en el escritorio de nuestro ordenador, pero cabe
la posibilidad
que estos son se encuentren y proceder con el paso que se marca
en este paso.
2.- Una vez realizado este paso, la aplicacin cargar dndonos la
bienvenida con
su pantalla de inicio, en el cual aparecen diversas opciones que
utilizaremos de
acuerdo a nuestra conveniencia.
Ilustracin 3. 7. Opciones de trabajo de la aplicacin.
3.- En la pantalla inicial, aparecen 4 iconos de trabajo, de los
cuales elegiremos el
primero > GEOMETRY, para crear el modelo de la geometra,
ilustracin 3.7.
92
-
3.2.2 SELECCIN DE SISTEMA DE UNIDADES PARA EL DESARROLLO DE LA
GEOMETRA DE TRABAJO
Hacemos hincapi en los sistemas de unidades de trabajo, debe
existir
homogeneidad entre ellos, puesto que desde la asignacin de
dimensiones en el
diseo preliminar se opto por trabajar con el sistema mtrico,
particularmente
milmetros como base de unidad de longitud. Los software elegidos
para este
diseo, as como los ajenos a ste, brindan preferencias de
diversas instancias de
trabajo que debemos modificar de acuerdo a cada necesidad, una
de ellas es el
sistema de unidad de trabajo, recordemos que en este diseo se
opt por el
sistema mtrico que debemos respeta en este momento.
El resultado de esta instruccin; una ventana emergente donde
debemos elegir el Sistema de Unidades (Milmetros) de trabajo para
generar el modelo de la geometra del disco
Ilustracin 3. 8. Unidades de trabajo
93
-
3.2.3 IMPORTACIN DEL ARCHIVO DE LA GEOMETRA
Una vez elegido el sistema de unidades de trabajo nos arrojar la
siguiente
ventana, representando el rea de modelado con todas sus
herramientas
correspondientes, ilustracin 3.9.
Ilustracin 3. 9. Seleccin de importacin 4.- En el men archivo
seleccionamos > Import External Geometry File, abrir una
ventana emergente > Direccionar la ubicacin del archivo de
extensin
*.IGES> Abrir, se muestra en la ilustracin 3.10.
Ilustracin 3. 10. Ruta del archivo del modelo
94
-
5.- En la zona de herramientas oprimir el botn para que la
aplicacin realice sus operaciones y genere el modelo del disco,
el botn se
indica en la figura siguiente:
Ilustracin 3. 11. rea de trabajo de la aplicacin.
95
-
El proceso de la instruccin tardar algunos segundos, este tiempo
va en relacin
al tamao de la geometra. Aqu tenemos nuestro modelo
generado:
Ilustracin 3. 12. Modelo importado por la aplicacin
96
-
6.- Procedemos hacer la exportacin del archivo > men Archivo
> Export,
ilustracin
Ilustracin 3. 13. Exportacin del modelo La seleccin arrojara una
ventana de emergente donde nos pide la direccin para
guardar nuestro nuevo archivo:
Ilustracin 3. 14. Ruta de almacenamiento de archivo
97
-
7.- Direccionar el archivo > asignarle un nombre al archivo
en cuestin >
Cambiarle el tipo de archivo a *.ANF, nos referimos a la
extensin del mismo >
Guardar.
Ilustracin 3. 15. Cambio oportuno de la extensin del
archivo.
Este paso no debe pasar desapercibido ya que es importante como
ltimo paso
No olvidemos que desde ahora ser nuestro archivo base para el
Anlisis del
modelo, ilustracin 3.15.
Una vez ejecutando la instruccin anterior, tenemos en existencia
el archivo del
modelo listo para su ejecucin en ANSYS. A partir de este memento
solo compete
a nuestro software de anlisis, debemos ejecutar el archivo para
someterlo a sus
anlisis con sus parmetros correspondientes.
98
-
3.3 PROCESO DE SIMULACIN DEL ANLISIS ESTRUCTURAL
DEL MODELO DEL DISCO EN ANSYS.
Es bastante aconsejable tener un profundo conocimiento acerca de
lo que se
quiere simular con los diversos programas. Esto hace que en la
propuesta se
deban emplear diferentes programas para cada disciplina,
tenindose que
desarrollar aplicaciones informticas para la transferencia de
los datos de salida
del software de fluido dinmica hasta el modelo termo mecnico.
Como punto de
partida es necesario conocer algunos datos tcnicos del vehculo
que montar el
disco de frenado que se va a disear.
Anteriormente mencionamos la secuencia que habramos de seguir y
el grupo de
software que utilizaramos para realizar el Anlisis del Disco del
Freno, esta es la
ltima seccin de todo el proceso; y de igual manera describiremos
paso a paso el
proceso y ejecucin, que en este caso, compete al software de
Anlisis.
Ilustracin 3. 16. Inicializacin de la aplicacin
99
-
Iniciamos la aplicacin de trabajo de la siguiente manera, no
olvidemos que
existen varias formas de ejecutar la aplicacin, la primera se
realiza desde
accesos directos que desde la instalacin del software se
generan
automticamente. En la misma direccin de ubicacin de ANSYS
WORKBENCH
se encuentra la aplicacin de ANSYS.
3.3.1 IMPORTACIN DEL MODELO GEOMTRICO.
Este es al ambiente general del software de anlisis ANSYS.
Procedemos a abrir
el archivo del modelo geomtrico; recordemos que nuestro modelo
ya existe y por
tanto procedemos de la siguiente manera:
1.- En la barra de mens, ilustracin 3.17 El resultado de esta
instruccin; una
ventana emergente donde debemos elegir el Sistema de Unidades
(Milmetros)
de trabajo para generar el modelo de la geometra del disco >
clic en el botn
Open FILE:
Ilustracin 3. 17. rea de trabajo de la aplicacin
100
-
2.- Direccionamos la ubicacin del archivo en cuestin > en
tipo de archivos
cambiar por *.* que representa extensiones de manera general, de
esta
manera mostrara todos los archivos de los cuales escogeremos el
archivo del
disco con extensin *.ANF. ilustracin 3.18
Ilustracin 3. 18. Ruta de almacenamiento del archivo
Como se muestra en la ilustracin 3.19, obtenemos el modelo del
Disco de Freno.
Las siguientes instrucciones sern especificarle parmetros a la
aplicacin para
darle herramientas y las ejecute para arrojarnos la simulacin y
el anlisis.
101
-
Ilustracin 3. 19 Modelo del Disco en Ansys.
Tenemos el modelo de la geometra del Disco del Freno, pero, ser
necesario
agregarle un componente dentro del mismo modelo, esta
representara la Balata o
Pastilla de Freno, estas dos piezas forman parte, entre otras,
del Sistema de
Freno del Go kart en cuestin. Las consideraremos como las partes
ms
importantes en cuanto a actuacin, particularmente, son los
accesorios del
Sistema de Freno que realizan el trabajo, de absorber la energa
cintica de la
maquina o cuerpo en movimiento que se encuentre instalado.
De acuerdo a la nuestra ilustracin, no contamos con este segundo
elemento, la
Pastilla o Balata, es necesario representarla, ya que son
elementos vitales, por
consecuencia tendrn el papel principal dentro de la simulacin, y
de su
actuacin, obtendremos resultados.
102
-
3.3.2 MODELADO DE LA BALATA.
Marcada la referencia e importancia de cada pieza, tanto del
elemento existente
(Disco de Freno) como de la Balata o Pastilla de Freno,
expondremos el proceso
de modelado del mismo.
1.- Para continuar, es necesario tener nuestro modelo del Disco
en vista de
alambre, de esta manera se nos facilitara la manipulacin de las
herramientas
de dibujo, ya que crearemos una superficie sobre el volumen que
representa al
Disco, para ello, en la barra de mens> MEN PLOT> LINES;
esto mostrar
las lneas que conforman el volumen del Disco.
2.- Elegimos de la seccin de Men Principal >
PREPROCESSOR>
posteriormente MODELING> dentro de este submen, elegimos>
CREATE>
LINE> se desplegaran formas para crear estas lneas, optamos
por> BY END
KPS&RAD, ilustracin 3.20.
Ilustracin 3. 20. Eleccin de herramientas en men principal
103
-
Esta herramienta de modelado para crear lneas, en este caso
arcos, funciona
eligiendo puntos (KEYPOINTS), especficamente dos puntos y un
radio, solo
dibujar una parte de un circulo creado a partir del radio
deseado, encerrado por
esos dos puntos.
Se generaran dos arcos, con diferentes dimensiones uno debajo
del otro con un
offset prudente para formar nuestro segundo elemento la BALATA O
PASTILLA
DE FRENO de acuerdo a las dimensiones de su superficie,
representaremos una
superficie de 1290.32mm2.
Ilustracin 3. 21. Representacin de la superficie creada solo con
lneas
104
-
3.- Sumaremos las lneas creadas para formar una superficie, en
el mismo MEN
PRINCIPAL> MODELING> CREATE> AREAS> BY LINES, se
selecciona cada
lnea que compndra la superficie, como se muestra en la
ilustracin 3.22.
Ilustracin 3. 22. Conjuncin de lneas para crear el rea de la
Pastilla de freno.
Ahora tenemos los dos elementos que actuarn en conjuntamente en
la
simulacin, solo resta definir respectivamente, sus parmetros de
trabajo y las
propiedades de los materiales.
105
-
3.3.3 MATERIAL PARA LA FABRICACION DE DISCOS DE FRENO
Generalmente para la elaboracin de un disco (fabricacin) se
utiliza hierro
fundido gris ASTM-CLASE 30.
De todos los hierros vaciados la fundicin gris es la mas amplia
usada. Esta
fundicin contiene de 2-5 a 4% de carbn y comnmente poco ms de 2%
de
silicio. Despus de la solidificacin la cementita se vuelve
inestable
descomponindose en austenita y grafito llamado carbn grafico. El
silicio acta
como grafitizador.
La resistencia de la fundicin gris esta determinada por la
variacin de la
composicin de la perlita en la matriz, desde diferentes mezclas
de perlita o
ferrita hasta tener tericamente ferrita pura. Lo ms resistente y
duro corresponde
ala fundicin gris perltica.
En las especificaciones A48-46 clasifica siete tipos de
fundicion gris:numeros
20,25,30,35,40,50 y 60.Cada numero de clase indica la
resistencia minima a al
tension de 20000 lb/plg.
106
-
3.3.4 DEFINICIN DEL TIPO DE ELEMENTO PARA EL MODELO
GEOMTRICO
1.- Definiremos el tipo de elemento par el modelo del disco
material de trabajo
despus de efectuar en MEN PRINCIPAL> PREPROCESSOR>
ELEMENT
TYPE> ADD/EDIT/DELETE, representado en la ilustracin
3.23.
Ilustracin 3. 23. Definicin del tipo de elemento
2.- Emerger una ventana, donde precedemos de la siguiente
manera, oprimimos
el botn ADD>, emerger otra ventana de seleccin, el fichero
izquierdo
muestra la libreras de tipos de elementos, seleccionamos>
SOLID, el siguiente
fichero muestra el contenido de el contenido de la librera
seleccionada, en
este caso> TET 10NODE 187> OK, ilustracin 3.24. Este tipo
de elemento se
describe brevemente en el apndice I.
107
-
Ilustracin 3. 24. Librera de tipos de elementos Continuaremos
introducindole a la aplicacin
![Sport [broj 1491, 28.5.2010]](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/577d363f1a28ab3a6b92988f/sport-broj-1491-2852010.jpg)
