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Febrero 2014
DISEÑO, CÁLCULO, OPTIMIZACIÓN Y
FABRICACIÓN DE UN SUBCHASIS PARA UNA
MOTOCICLETA DE COMPETICIÓN Proyecto Final de Carrera
Departamento de Mecánica de Medios Continuos, Teoría de Estructuras e Ingeniería del Terreno.
Ingeniería Industrial
Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla
Alumno: Isabel María Fernández Alves
Tutores: Jesús Justo Estebaranz Juan Carlos Marín Vallejo
2
3
AGRADECIMIENTOS
Me gustaría agradecer en primer lugar, toda la ayuda recibida a lo largo de todos estos años
de formación en la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla. No quiero que se me quede nadie en
el tintero, ya que sin ellos el resultado de este proyecto no hubiese sido posible.
A mis padres y hermana, por haberme brindado los medios y el apoyo necesarios desde
pequeña para llegar a ser lo que soy hoy en día.
A los profesores que con dedicación y entrega me han hecho aprender tanto. Parte de dicha
enseñanza espero quede reflejada en el presente proyecto.
A mis compañeros de la escuela, por tantos momentos de sacrificio, y también de disfrute.
En especial a esos con los que tantas horas de estudio, de problemas, de trabajos y de prácticas
pasamos juntos.
A los componentes del equipo US-R Enginering, responsables más directos del objeto del
`presente proyecto, por la pasión y motivación que me trasmitieron cada uno de ellos, y sobre
todo por la experiencia inolvidable vivida juntos.
A los patrocinadores que hicieron de nuestro sueño de diseñar una motocicleta una realidad.
Especialmente al Laboratorio de Elasticidad y Resistencia de materiales (LERM), el cual no solo
aportó el patrocinio económico a través de materiales y medios de fabricación, sino que también
su personal me brindó parte de su valioso tiempo. Sin ellos no habría sido posible conseguir el
resultado obtenido.
A mis amigos que siempre han estado cerca para apoyarme y hacerme más ameno el
sendero recorrido.
Gracias a todos de corazón
4
5
ÍNDICE DE CONTENIDO
ÍNDICE DE CONTENIDO ........................................................................................................... 5
ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................................... 8
ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................................... 11
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN................................................................................................ 13
1. Objetivo del proyecto .......................................................................................................................... 14
2. Principales componentes de una motocicleta .................................................................................... 15
3. Subchasis ............................................................................................................................................. 29
4. Motociclismo y su influencia en la evolución de la motocicleta ......................................................... 34
4.1. Motostudent 2012 ....................................................................................................................... 35
5. Antecedentes ....................................................................................................................................... 37
6. Requisitos generales ............................................................................................................................ 40
7. Estructura del proyecto ....................................................................................................................... 44
CAPÍTULO II: DISEÑO, CÁLCULO Y OPTIMIZACIÓN DEL SUBCHASIS ............................................ 47
1. Requisitos de diseño ............................................................................................................................ 48
1.1. Características geométricas ......................................................................................................... 48
1.1.1. Altura del asiento .................................................................................................................... 48
1.1.2. Barras de anclaje del chasis ..................................................................................................... 49
1.1.3. Distancia a la pipa de la dirección ........................................................................................... 51
1.1.4. Volumen interno al subchasis.................................................................................................. 52
1.2. Fuerzas soportadas por la estructura .......................................................................................... 53
1.2.1. Hipótesis de carga básica más desfavorable ........................................................................... 53
2. Materiales más utilizados en la fabricación de elementos estructurales de motocicletas ................. 56
2.1. Materiales más comunes para la construcción de un subchasis ................................................. 57
2.2. Comparativa de materiales ......................................................................................................... 63
2.3. Material seleccionado ................................................................................................................. 66
3. Primera aproximación del cálculo de tensiones de las barras laterales del subchasis ....................... 67
3.1. Matrices de rigidez de las distintas capas del laminado ............................................................. 74
3.2. Matrices A, B y D .......................................................................................................................... 76
3.3. Matrices K .................................................................................................................................... 80
3.4. Resolución del sistema de ecuaciones ........................................................................................ 82
3.5. Tensiones ..................................................................................................................................... 83
6
4. Influencia de las variables de diseño libres en las tensiones soportadas por las barras laterales del
subchasis...................................................................................................................................................... 84
4.1. Programa para el cálculo de tensiones en las barras laterales del subchasis ............................. 84
4.2. Influencia de las variables libres .................................................................................................. 85
5. Cálculo del subchasis a partir de un modelo de elementos finitos ..................................................... 89
5.1. Método de elementos finitos ...................................................................................................... 89
5.2. Introducción a ANSYS .................................................................................................................. 91
5.3. Consideración previa al análisis del subchasis con el modelo de elementos finitos ................... 94
5.4. Análisis del subchasis con ANSYS ................................................................................................ 95
CAPÍTULO III: FABRICACIÓN Y MONTAJE ............................................................................ 98
1. Introducción al proceso de fabricación ............................................................................................... 99
2. Planificación de la fabricación. Diseño de útiles ............................................................................... 101
3. Planificación y optimización del corte de las láminas ....................................................................... 102
4. Descripción de la fabricación de la pieza ........................................................................................... 106
4.1. Apilado de las piezas laterales del subchasis ............................................................................ 106
4.2. Apilado de la pieza superior del subchasis ................................................................................ 108
4.3. Curado del material ................................................................................................................... 108
4.4. Recanteo de las piezas fabricadas ............................................................................................. 111
5. Montaje y ajustes necesarios ............................................................................................................ 114
6. Modificaciones finales ....................................................................................................................... 122
6.1. Placa superior para la mejora de la unión del colín del carenado ............................................ 122
CAPÍTULO IV: CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS .............................................. 124
1. Conclusiones ...................................................................................................................................... 125
2. Desarrollos futuros ............................................................................................................................ 129
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 131
ANEXOS ................................................................................................................................ 134
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8
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 – Elementos y sistemas principales de una motocicleta ..................................................... 16
Figura 2 - Chasis de cuna simple ........................................................................................................ 18
Figura 3 – Chasis de doble cuna ......................................................................................................... 19
Figura 4 – Chasis de viga simple ......................................................................................................... 20
Figura 5– Chasis de doble viga ........................................................................................................... 20
Figura 6– Chasis con motor como elemento estructural .................................................................. 21
Figura 7- Partes de un cilindro de un motor de combustión ............................................................. 22
Figura 8 - Esquema de un carburador ................................................................................................ 24
Figura 9 - Elementos internos de un freno de tambor ...................................................................... 26
Figura 10 - Freno de disco .................................................................................................................. 27
Figura 11 - Vista de perfil del subchasis de la motocicleta KTM 350 EXC-F....................................... 30
Figura 12 - Perspectiva trasera del subchasis de la motocicleta KTM 350 EXC-F .............................. 30
Figura 13 - Subchasis SUZUKI GSK-R 600 ........................................................................................... 31
Figura 14 - Subchasis HONDA CBR ..................................................................................................... 32
Figura 15 - Subchasis BIMOTA BDx .................................................................................................... 32
Figura 16 - Vista lateral del subchasis de Justo Márquez .................................................................. 38
Figura 17 - Vista frontal del subchasis de Justo Márquez .................................................................. 38
Figura 18 –Vista de perfil de motocicleta para indicación de restricciones del reglamento ............ 41
Figura 19 - Planta de motocicleta para indicación de restricciones del reglamento ........................ 41
Figura 20 - Vista frontal de motocicleta para indicación de restricciones del reglamento ............... 42
Figura 21 - Primer diseño de chasis del prototipo de motocicleta del equipo US-R Engineering ..... 50
Figura 22 - Diseño final del chasis del prototipo de motocicleta del equipo US-R Engineering ....... 51
Figura 23 - Esquema en dos dimensiones de la forma básica del subchasis ..................................... 55
Figura 24 - Chasis de aluminio monocasco ........................................................................................ 59
Figura 25 - Chasis de aluminio de espina central ............................................................................... 59
Figura 26 - Chasis Ossa tipo monocasco de aleación ligera de magnesio ......................................... 63
Figura 27 - Nomenclatura de nodos y barras del subchasis .............................................................. 68
Figura 28 - Esquema subchasis con parámetros de anclajes libres ................................................... 86
Figura 29 - Preferences de Ansys ....................................................................................................... 92
9
Figura 30 - Opciones de la sección Preprocessor de ANSYS .............................................................. 93
Figura 31 - Tejido de fibra de carbono-epoxi, con las fibras dispuestas ortótropamente y de forma
entrelazada ........................................................................................................................................ 94
Figura 32 - Elemento tipo Shell 181 de ANSYS................................................................................... 95
Figura 33 - Modelado del subchasis en ANSYS .................................................................................. 96
Figura 34 - Tensiones normales soportadas por el subchasis ........................................................... 97
Figura 35 - Distribución del corte de láminas a 0° ........................................................................... 103
Figura 36 - Distribución del corte de láminas a 90° ......................................................................... 104
Figura 37 - Distribución de láminas de 45° ...................................................................................... 105
Figura 38 - Proceso de apilado de una pieza lateral del subchasis .................................................. 107
Figura 39 - Autoclave del laboratorio de elasticidad y resistencia de materiales ........................... 110
Figura 40 - Parámetros del ciclo de curado aplicado ....................................................................... 111
Figura 41 - Pieza lateral antes de ser recanteada ............................................................................ 112
Figura 42 - Pieza superior sobre su molde antes de ser recanteada ............................................... 113
Figura 43 - Aplicación del adhesivo sobre la pieza superior ............................................................ 115
Figura 44 - Aplicación de adhesivo sobre las piezas laterales ......................................................... 116
Figura 45 - Montaje de las piezas laterales con la pieza superior ................................................... 116
Figura 46 - Disposición del subchasis en el horno utilizado para curar el adhesivo ........................ 117
Figura 47 - Colocación de remache .................................................................................................. 119
Figura 48 - Disposición de los remaches en la unión de las piezas laterales con la superior .......... 120
Figura 49 - Resultado final del subchasis ......................................................................................... 121
Figura 50 - Placa suplementaria para la cogida del colín ................................................................. 123
Figura 51 - Montaje de la moto en Motorland ................................................................................ 127
Figura 52 - Motocicleta finalizada .................................................................................................... 128
Figura 53 - Material sándwich .......................................................................................................... 129
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 - Niveles a superar por los equipos participantes en MotoStudent ..................................... 36
Tabla 2 - E y σ_u de la fibra de carbono-epoxi y sus componentes por separado ............................ 61
Tabla 3 - Propiedades mecánicas de los materiales más empleados en subchasis .......................... 65
Tabla 4 – Ejemplo de los valores de las variables libres para una de las configuraciones
calculadas en Matlab ......................................................................................................................... 87
Tabla 5 - Resumen de láminas necesarias para la fabricación del subchasis .................................. 102
12
13
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN
El Capítulo I es el bloque introductorio al Diseño, Cálculo, Optimización y Fabricación de un
Subchasis para una Motocicleta de Competición.
En este capítulo se detalla el objetivo del proyecto. Se estudian cuales son y qué función
tienen los principales componentes de una motocicleta. Se buscan subchasis comerciales como
base de inspiración para el nuevo diseño. Se hace una comparativa entre el antecedente más
directo y el nuevo subchasis que se va a diseñar. Se presentan los requisitos generales que debe
cumplir el diseño para poder participar en una competición concreta. Y se finaliza con la
explicación de cómo se va organizar la información recogida en el presente proyecto.
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1. Objetivo del proyecto
El objetivo del proyecto es el desarrollo de una estructura que soporte el peso del piloto de
una motocicleta de competición. A ésta estructura se la denomina subchasis.
El desarrollo de dicho subchasis comprenderá tanto una parte teórica constituida por el
diseño geométrico, el cálculo teórico de esfuerzos y desplazamientos en los distintos puntos de la
estructura y la planificación de la fabricación; como una parte práctica, en la que se describirán la
fabricación real del prototipo y los ensayos realizados sobre el mismo.
Todo el diseño estará condicionado por límites geométricos fijados por las características
propias del resto de componentes de la motocicleta. Hay que reseñar que esta motocicleta
constituye un proyecto completo desarrollado por el equipo US-Racing Engineering. El prototipo
de esta motocicleta, a su vez, se ajusta a la normativa de la competición MotoStudent 2012 en la
cual el equipo participó, y en la que se entrará en detalle más adelante.
Con idea de focalizar el objetivo del presente proyecto, se comienza dando una visión global
de todo aquello que afecta al diseño y fabricación de la estructura objetivo. Ello implica la
descripción de los distintos componentes de una motocicleta, y una breve introducción en el
mundo del motociclismo, en particular a la competición Motostudent. Todo esto será desarrollado
en el presente capitulo, el cual, como su propio nombre indica, constituye la introducción al
proyecto.
15
2. Principales componentes de una motocicleta
En este apartado se detallarán los distintos elementos y sistemas que forman parte de una
motocicleta.
Como dicen William H. Crouse y Donald L. Anglin, en su libro Mecánica de la motocicleta [1]
cuando responden a la pregunta: ¿Qué es una motocicleta?, existen varias definiciones que van
desde “vehículo de dos ruedas con un motor”, a la definición más completa correspondiente a la
dada por la Society of Automotive Engineers (SAE): “Una motocicleta es un vehículo a motor,
diferente de un tractor, destinado a funcionar sobre no más de tres ruedas en contacto con el
suelo y que pesa menos de 1500 lb (680 kg)”.
Pero para recalcar cuales son los componentes principales de una motocicleta, es más
acertada la definición dada por la Dirección General de Tráfico (DGT): “Es un vehículo de dos
ruedas impulsado por un motor. El cuadro y las ruedas constituyen la estructura fundamental del
vehículo. La rueda directriz es la delantera y la rueda motriz es la trasera”. [2]
De la definición anterior dada por la DGT ya se anticipan cuales son algunos de los
principales elementos que constituyen una motocicleta: motor, chasis y ruedas. A continuación se
enumeran los mismos y algunos más también imprescindibles en cualquier motocicleta. Éstos a su
vez son indicados sobre la Figura 1:
1. Ruedas
2. Chasis
3. Motor
4. Sistema de alimentación
5. Sistema de transmisión
6. Sistema de frenado
7. Sistema de refrigeración
8. Sistema de amortiguación
9. Escape de gases del motor
16
Figura 1 – Elementos y sistemas principales de una motocicleta
Am
ort
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ació
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ante
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Fren
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Mo
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Si
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n
17
Se prosigue con la definición de dichas partes y la aportación que ofrecen al conjunto, ya que
en el diseño de cada uno de estos componentes y sistemas influye el resto.
Las ruedas delantera y trasera, elementos que son mencionados en la propia definición
de motocicleta dada por la DGT. Cada una de ellas tiene una función. La rueda delantera es la
encargada del direccionamiento, y es la trasera la que asume la transmisión del movimiento.
En cualquier caso, es tarea de ambas soportar el peso de la motocicleta junto al del piloto
(aunque sea en distinta proporción, según la localización del centro de gravedad de dicho
peso). Otras fuerzas soportadas por estos dos componentes son las que se generan en la
conducción al contacto con el terreno, las debidas a las curvas, las producidas por el giro
propio de las ruedas, y las ocasionadas en las frenadas. La labor de los neumáticos, además de
soportar todas esas fuerzas, es garantizar la seguridad y el confort del piloto.
El chasis es el elemento estructural principal, éste debe soportar en primera instancia el
peso de la moto y el del piloto o pilotos, el motor y la transmisión y los accesorios necesarios
para el funcionamiento de la motocicleta, como por ejemplo los depósitos de gasolina y aceite
[3].
Sus funciones son:
- Soporte estructural de la motocicleta, soportando las diferentes cargas a las que la
misma se encuentra sometida, comportándose con una determinada rigidez
estructural, permitiendo cierto grado de deformaciones y siempre dentro de los
límites elásticos de sus componentes.
- Posicionamiento de los diferentes elementos. El chasis sirve de alojamiento para los
diferentes elementos de la motocicleta y debe aportar puntos de apoyo fijos para el
sistema de suspensión y basculante, la horquilla delantera, el motor y todos sus
componentes, depósito y carenado. Es por este motivo que el entramado
estructural debe tener una forma tal que permita dar cabida a la gran cantidad de
elementos que se fijan al propio chasis, al mismo tiempo que adopta un
compromiso entre espacio y peso.
18
- Proporcionar una adecuada interacción del piloto con la pista. Es fundamental que
una buena geometría permita absorber las cargas que actúan en la motocicleta,
pero también debe conseguir que el piloto reciba sensaciones de la carretera para
complementar su conocimiento de la misma. Asimismo, el chasis debe favorecer
una correcta distribución de pesos, evitando la pérdida de adherencia de alguna de
las ruedas y permitiendo un correcto manejo del conjunto, mediante una adecuada
localización del centro de gravedad.
El diseño del chasis ha ido cambiando a lo largo de los años, pero siempre ha estado
muy influenciado por el origen de la bicicleta. A finales del siglo XIX, las primeras motocicletas
eran concebidas como bicicletas dotadas de motor. Por ello no es de extrañar, que el chasis
de las motocicletas tuviese cómo base de partida del diseño una estructura con forma de
diamante derivada de los chasis de bicicleta [3]. Décadas más tarde, la evolución directa del
chasis de bicicleta inicial, fue el chasis de simple cuna, donde los extremos inferiores del tubo
frontal y del tubo del sillín estaban conectados por una cuna que abrazaba al motor. Los tubos
que formaban la cuna se extendían hasta las orejetas de soporte del eje de la rueda trasera.
En la figura 2 se indican todos los elementos mencionados en la descripción del chasis de cuna
simple.
Figura 2 - Chasis de cuna simple
Tubo frontal
Tubo del sillín
Orejetas
del eje de
la rueda
trasera
Cuna
19
Posteriormente se sustituyó el tubo frontal, siendo los tubos de la cuna los que
continuaban hasta la pipa de la dirección, parte del chasis señalada en la figura 3, en la cual se
muestra la forma del chasis de doble cuna.
Figura 3 – Chasis de doble cuna
Ambos chasis de cuna estaban diseñados para soportar motores mono-cilíndricos con el
cilindro en posición vertical, es decir, motores muy altos. Dicho tipo de motor era muy
popular en dicha época. El fin del diseño no parece que fuese la rigidez a torsión y a flexión.
Fue tras la segunda guerra mundial, cuando se comenzó a mejorar la rigidez a torsión y
flexión de los chasis. Esto se conseguía mediante estructuras trianguladas. Otra forma
completamente distinta de conseguir dicha rigidez a torsión y a flexión consistía en usar un
tubo de gran diámetro denominado viga como pieza principal del chasis, con ello se obtenía
un diseño rígido, simple y ligero. Para poder conectar la pipa de dirección directamente con el
eje de las ruedas, la viga se bifurcaba en la parte trasera. A éste tipo de chasis se le denomina
chasis de simple viga, el cual se puede observar en la figura 4.
Pipa de la
dirección
20
Figura 4 – Chasis de viga simple
Más adelante, la aparición de motores más grandes, hace que el diseño del chasis se
modifique, dividiendo la viga en dos, las cuales pasan rodeando al motor, consiguiendo así el
chasis de doble viga, el cual sigue siendo muy utilizado. En la figura 5 se observa la unión de la
doble viga a la pipa de la dirección.
Figura 5– Chasis de doble viga
Otra tendencia, aunque no muy extendida, es usar el motor como elemento estructural.
Potencialmente es la forma más eficiente de construir una motocicleta que tenga un motor
grande. De este modo, además, la estructura del chasis queda muy simplificada. En la figura 6
se muestra una vista de perfil de esta clase de chasis.
Pipa de la
dirección
Viga
Bifurcación
de la viga Orejetas
del eje de
la rueda
trasera
21
Figura 6– Chasis con motor como elemento estructural
Dentro de las diferentes estructuras de chasis que se han señalado, puede distinguirse la
estructura objeto de este proyecto, el subchasis.
No en todas las motocicletas se tiene la estructura del subchasis como algo
independiente del chasis. En ocasiones, ambos forman una única estructura. Al concebirlos
como dos estructuras independientes, se obtiene una mayor flexibilidad en el montaje y en
posibles futuras reparaciones. Se entrará más en detalle en esta subestructura en el apartado
3.
El motor es el elemento generador del movimiento. Dicho movimiento lo consigue a
partir de la expansión de los gases de la combustión que se produce en su interior, los cuales
accionan un mecanismo de biela-manivela, dando como resultado un movimiento giratorio en
el eje de rotación de la manivela denominado cigüeñal.
En cuanto a la afección del motor en el diseño de otros componentes de la moto,
resaltar la importancia de considerar sus dimensiones, su peso y sus vibraciones en el diseño
del chasis.
El motor del prototipo de motocicleta diseñado por el equipo US-R Engineering, viene
dado por la competición Motostudent. Se trata de un motor de 250 centímetros cúbicos (cc) y
cuatro tiempos (4T).
Motor
Pipa de la
dirección
Orejetas
del eje de
la rueda
trasera
22
Las distintas partes de un cilindro de un motor de combustión de 4T se indican en la
figura 7.
Figura 7- Partes de un cilindro de un motor de combustión
Una vez vista la figura 7, se puede proceder a la descripción del funcionamiento del
motor de combustión de cuatro tiempos [4].
Manuel Arias-Paz dedica en su libro Motocicletas [4] un capítulo al motor. En él se
describe el ciclo teórico del motor de 4T en su variante Otto. El ciclo se divide en cuatro fases
o tiempos, los cuales se explican en su secuencia natural. Al realizar dicho ciclo el pistón
recorre cuatro carreras en el interior del cilindro (dos ascendentes y dos descendentes),
mientras que el cigüeñal da dos vueltas.
Cárter
Bloque
motor
Refrigerante
Culata
Conducto de
admisión
Válvula de admisión
Válvula de escape
Árbol de levas
Cubierta de
las válvulas
Biela
Bujía
Conducto
de escape
Cojinete de la biela
Pistón
Cigüeñal
Aceite
23
Las fases o tiempos son:
- Primer tiempo: Admisión
Comienza cuando el pistón se encuentra en su posición más elevada (punto muerto
superior, PMS). Es en ese instante cuando la válvula de admisión se abre para dar
paso a una mezcla de aire y vapores de gasolina a través del conducto de admisión,
los cuales entran debido al vacío que crea el pistón al bajar. Una vez el pistón llega
al final de carrera inferior (punto muerto inferior, PMI) la válvula de admisión se
cierra. La válvula de escape permanece cerrada durante toda esta fase.
- Segundo tiempo: Compresión
Comienza en el estado final del primer tiempo, con ambas válvulas cerradas. El
émbolo realiza su primera carrera ascendente, comprimiendo la mezcla hasta
alcanzar el PMS, quedando dicha mezcla en unas condiciones ideales de presión y
temperatura para estallar.
- Tercer tiempo: Combustión
Tras la compresión, salta una chispa en la bujía, la cual causa la inmediata
combustión de la mezcla de aire y combustible. Dicha combustión provoca la
impulsión del pistón hacia el PMI. Es el único tiempo que aporta trabajo útil.
- Cuarto tiempo: Escape
Una vez alcanzado el PMI con el empuje de la combustión, se abre la válvula de
escape. De esta forma permite al pistón realizar su segunda carrera ascendente,
expulsando los gases por el conducto de escape y preparando el motor para la
realización del siguiente ciclo.
El sistema de alimentación de combustible tiene por objeto extraer el combustible del
depósito y conducirlo a la válvula de admisión del motor en las mejores condiciones para que
la combustión se realice correctamente. Se emplean distintos sistemas en función del tipo de
combustible. Para diesel se utiliza una bomba inyectora, y para gasolina un carburador o
inyector.
El motor proporcionado por la competición Motostudent es un motor de gasolina, por lo
que necesita un carburador o inyector.
24
El carburador es el mecanismo que permite alimentar al motor con la mezcla de aire y
gasolina que necesita para realizar la combustión. En la figura 8 se muestra un esquema
dónde se señalan las distintas partes del carburador. En rojo las zonas por las que circula la
gasolina y en azul por allí dónde va el aire.
Figura 8 - Esquema de un carburador
A continuación se detalla funcionamiento del carburador, explicando los distintos casos
en los que puede encontrarse según el piloto acelere o no [5].
Si el piloto no acciona el acelerador, la válvula de mariposa se encuentra cerrada y sólo
permite que pase una pequeña cantidad de aire. Dicha cantidad de aire se mezcla con la
suficiente gasolina aportada por el llamado surtidor de baja o ralentí para que el motor no se
pare sin acelerar. El surtidor de ralentí puede regularse mediante un tornillo, que permite
aumentar o disminuir la proporción de gasolina o de aire.
Mariposa de
aceleración
Entrada de
gasolina
Surtidor
Difusor
secundario
Difusor
principal
Estrangulador
Difusor
secundario
Tornillo regulador
de ralentí
Surtidor de
baja o ralentí
Cuba
Flotador
Pozo
compensador
25
En el momento en el que el piloto acelera, la válvula de mariposa se abre, permitiendo
la entrada de un mayor caudal de aire. Esto provoca que la succión producida en el difusor dé
una mayor riqueza de mezcla, con lo que el motor aumenta de revoluciones.
Al dejar de acelerar, la mariposa se cierra e interrumpe la corriente de aire, con lo que
anula el funcionamiento del difusor. El motor no se para porque, como se ha explicado en la
primera situación, en ese momento entra en funcionamiento el surtidor de ralentí.
El carburador dispone de un pequeño depósito llamado cuba que sirve para mantener
constante el nivel de gasolina en el carburador.
Si en un momento determinado de la marcha se requiere de más fuerza, el carburador
dispone de un llamado pozo de compensación que dispone de un remanente de gasolina y de
él también es del que se alimenta el sistema de ralentí.
Respecto al depósito de gasolina, en las motocicletas de competición normalmente
suele ir ubicado en el espacio comprendido entre la pipa de la dirección y el subchasis. En el
prototipo de motocicleta diseñada por el equipo US-R Engineering, para intentar tener un
dentro de gravedad más bajo, ganando así estabilidad en la moto, se piensa en aprovechar el
espacio interno del subchasis. Esta elección hace el depósito sea una de las consideraciones a
tener en cuenta entre los requisitos de diseño del subchasis, los cuales se estudiarán en el
apartado 1 del Capítulo II.
El sistema de transmisión es el encargado de comunicar el giro generado en el motor a
la rueda trasera. Está formado por tres elementos: dos ruedas dentadas y una cadena que
conecta el movimiento entre ellas. Una de las ruedas dentadas es solidaria al eje del motor, a
ésta se la denomina piñón. La otra va fijada al eje de la rueda trasera y recibe el nombre de
plato.
El sistema de frenado de una motocicleta es uno de los más importantes desde el punto
de vista de seguridad. Sin embargo, los frenos se han mantenido sin avances significativos
durante años, puesto que se podían encontrar modelos con graves defectos de frenada en el
26
mercado. Actualmente se ha venido tomando conciencia de la importancia de una buena
frenada, es ahora uno de los puntos donde se realiza una mayor y más intensa investigación.
Los primeros frenos de motocicletas se derivaron de las bicicletas, al igual que ocurría
con los chasis. Se trataba de frenos de patín con mordaza que rozaban contra la llanta de la
motocicleta, e incluso contra el propio neumático. Estos se vieron sustituidos por otro sistema
que hacía su acción sobre las poleas de la correas de la transmisión, pero aun así las
prestaciones de estos sistemas eran escasas, debido a que su superficie de fricción era muy
poca y la deformación de sus componentes, disminuía de forma considerable el rendimiento.
En los años 20 se comenzaron a sustituir estos frenos, por los de expansión interna,
conocidos como de “tambor”, que tuvieron una larga vida, hasta el punto de que han se
incorporan en vehículos económicos. En la figura 9 se pueden observar las partes más
internas de un freno de tambor.
Figura 9 - Elementos internos de un freno de tambor
El frenado de los tambores depende de varios factores: superficie de fricción
(relacionada directamente con el diámetro de la pista del tambor y el ancho de las zapatas),
coeficiente de fricción entre las zapatas y el metal del tambor, y presión sometida a través del
bombín.
La superficie de fricción está limitada por razones de peso y temperatura, ya que si se
alcanzan elevadas temperatura, el tambor va perder un considerable porcentaje de fricción.
Las elevadas temperaturas son posibles, debido a que el sistema se encuentra en una carcasa,
Bombín
Muelle de retención
Pastillas
Zapatas
Soporte de articulación
27
lo que no permite que le calor no se evacue fácilmente. Aunque algunos tambores estén
equipados con aletas para permitir el flujo de aire entre ellas y así refrigerar el tambor estas
no son eficaces. La temperatura no es lo único factor, que puede afectar al rendimiento de un
freno de tambor, sino también el agua que se filtra en el sistema depositándose en medio de
las zapatas y la pista, disminuyendo el coeficiente de fricción. Estos problemas fueron los que
llevaron a desarrollar un sistema de frenos como el de disco, buscando reducir los factores de
pérdida de frenado que se presentaban en los frenos de tambor.
Los frenos de disco tienen un accionamiento totalmente externo, lo que mejora uno de
los principales problemas de los sistemas anteriores, el sobrecalentamiento y la pérdida de
rendimiento.
El freno de disco funciona con un sistema hidráulico en el cual el líquido del freno hace
presión en el cuerpo de una mordaza En ésta mordaza se encuentra alojado uno o varios
pistones que son accionados al estar bajo la presión mandada por la bomba a través de un
conducto hidráulico denominado latiguillo. Se genera así la fricción de las pastillas situadas en
la parte interna de la mordaza sobre un disco que gira solidariamente con la rueda. En la
figura 10 se muestra un freno de disco de una rueda trasera de una motocicleta.
Figura 10 - Freno de disco
Latiguillo o
conducto
hidráulico
Disco
Mordaza
o caliper
28
El sistema de refrigeración es necesario para evitar que los elementos de la culata, el
pistón y la zona superior del cilindro del motor se encuentren a temperaturas próximas a las
del frente de llama, aproximadamente 2000 °C. Desde el punto de vista teórico, es beneficioso
que el motor se encuentre todo lo caliente que se pueda durante su funcionamiento, ya que
las pérdidas caloríficas son proporcionales a la diferencia de temperatura entre el foco
caliente y el foco frío. Pero en la práctica los materiales de los elementos citados se
destruirían por simple fusión. En la actualidad se están ensayando materiales que tratan de
mezclar los componentes cerámicos con los metálicos, y que se intentarán emplear en la
fabricación de esas piezas para aumentar el rendimiento de los motores [4].
El sistema de refrigeración se utiliza por tanto para regular la temperatura del motor.
Para ello existen distintos tipos en función del fluido intercambiador de calor que se emplee:
aire, agua o aceite. Actualmente también se emplean intercambiadores aceite-agua, en los
cuales la evacuación del calor del aceite que refrigera el motor se disipa mediante el uso de un
segundo fluido intermediario, el agua, en lugar de directamente con el aire.
En el sistema de amortiguación se distingue entre amortiguación delantera y
amortiguación trasera. Ambas tienen el objetivo de transmitir con menor intensidad las
variaciones del terreno por el que circula la motocicleta. La amortiguación delantera no afecta
para nada al diseño del subchasis, pero en cambio, las fijaciones de la amortiguación trasera sí
puede que sea necesario considerarlas, en el caso de que se opte por fijar un extremo del
amortiguador al subchasis que se pretende diseñar.
El tubo de escape del motor tiene varias funciones. En primer lugar, sirve para evacuar
los gases de combustión, una vez que el motor ha realizado la combustión. En segundo lugar,
se ocupa de amortiguar el ruido generado. Por último, lo más importante a nivel de potencia y
principios medioambientales, asegura el mayor rendimiento del motor, reduciendo la
temperatura y contaminación generada por los humos expulsados.
Tras esta breve presentación de las diferentes partes de la motocicleta se puede pasar a
profundizar un poco más en la estructura que se pretende diseñar y fabricar.
29
3. Subchasis
Una vez que ya se han visto los principales componentes que constituyen una motocicleta,
es hora de centrarse en aquel que es objeto del presente proyecto, el subchasis.
El subchasis es una parte del chasis, cuya definición y funciones se explicaron en el apartado
2. La definición y funciones de un subchasis son por ello una particularidad de las
correspondientes a un chasis.
El subchasis es un elemento estructural, el cual debe soportar en primera instancia el peso
del piloto, de algunos accesorios y el suyo propio. El peso del motor y del resto de accesorios so
soportados por el resto de la estructura que constituye el chasis.
En cuanto a sus funciones, se ha de resaltar especialmente la capacidad de proporcionar una
adecuada interacción entre el piloto y la pista, ya que ésta es la estructura que está en contacto
directo con el piloto. Por este motivo, debe ser una estructura rígida que trasmita las sensaciones
de la carretera para que el piloto complemente su conocimiento de la misma.
A continuación se procede al estudio de subchasis comerciales a partir de los cuales tomar
ideas de diseño.
De la infinidad de subchasis existentes se van a presentar cuatro, lo más diversos posible,
para extraer las características comunes de las que partir en el diseño del subchasis del prototipo
de la motocicleta del equipo Motostudent.
En primer lugar se muestra en la figura 11 el perfil del subchasis de la motocicleta modelo
350 EXC-F de la marca KTM. Este modelo se trata de una motocicleta de motocross, cuyo
subchasis está fabricado en tubos de pared delgada de acero de alta resistencia al cromo-
molibdeno [6]. En la figura 12 se da una visión en perspectiva desde la parte trasera del subchasis.
30
Figura 11 - Vista de perfil del subchasis de la motocicleta KTM 350 EXC-F
Figura 12 - Perspectiva trasera del subchasis de la motocicleta KTM 350 EXC-F
Subchasis
31
Se prosigue con el subchasis de la motocicleta modelo GSX R 600 de la marca Suzuki (figura
13). Fabricado en aluminio [7], con una forma un poco más compleja que la del anterior subchasis
del modelo de KTM presentado.
Figura 13 - Subchasis SUZUKI GSK-R 600
El tercer subchasis del estudio es el de la motocicleta CBR de Honda [8]. Fabricada en
aluminio compuesto, con las estriberas para el copiloto fijadas al propio subchasis, como se
observa en la figura 14.
Subchasis
32
Figura 14 - Subchasis HONDA CBR
Para finalizar se presenta en la figura 15 el subchasis del modelo BDx de la marca italiana
BIMOTA, fabricado con tubos de acero al cromo-molibdeno [9].
Figura 15 - Subchasis BIMOTA BDx
Subchasis Estribera del
copiloto
Subchasis
33
En los subchasis mostrados en las figuras 11, 12, 13, 14 y 15 se emplean distintos materiales
y distintos perfiles de barras. Pero todos ellos tienen varias similitudes, y son: la forma de viga en
voladizo, la simetría respecto al eje medio de la moto, y la cogida al chasis consistente en dos
cogidas a cada lado atornilladas.
De aquí se extrae la idea de diseñar un subchasis simétrico respecto al plano medio de la
motocicleta y con una forma básica consistente en barras laterales y una superficie que conecte
dichas barras laterales por la parte superior.
34
4. Motociclismo y su influencia en la evolución de la motocicleta
Es necesario justificar la importancia de las competiciones antes de explicar en concreto los
detalles de la competición Motostudent, por ello se hará un breve resumen de la evolución
histórica que sufre la motocicleta, y el papel que juegan en ello las competiciones [4].
La evolución de la motocicleta a lo largo de la historia, viene condicionada en su mayor
medida de la utilización que de ella ha demandado la sociedad. Otro factor de peso es la evolución
tecnológica, pero ésta casi siempre ha dependido de las necesidades de la sociedad.
En España, por ejemplo, a mediados del siglo XX, debido al reciente periodo de conflictos
sufrido, la motocicleta fue el vehículo de transporte por excelencia dado su bajo precio. A medida
que la situación económica del país mejoró, la demanda de motocicletas como medio de
transporte disminuyó enormemente, con lo que la motocicleta adquirió un carácter más lúdico,
evolucionando así las especialidades de montaña (Cross, enduro y trial). Ya en los años 80, gracias
a las importaciones de motocicletas japonesas y al éxito internacional que adquieren los pilotos de
competición, se produce un aumento de la demanda de motos, siendo las competiciones el gran
motor de evolución de las motocicletas.
Por ello se puede decir que en general la competición es la impulsora de nuevos diseños y
nuevos tipos de motos.
En el caso de la competición Motostudent, existe además de un propósito de innovación, y
un objetivo didáctico, ya que va enfocada a estudiantes universitarios. A continuación se detallan
algunas de las características de dicha competición.
35
4.1. Motostudent 2012
Objetivo de la competición
La competición Motostudent, promovida por la fundación Motocicleta Engineering
Foundation, es un desafío entre equipos universitarios de distintas universidades españolas,
europeas y del resto del mundo.
Consiste en diseñar y desarrollar un prototipo de motocicleta de competición de
pequeña cilindrada con un motor 250 4T (250 centímetros cúbicos y 4tiempos). Dicho
prototipo compite, con su evaluación pertinente, en unas jornadas que se llevan a cabo en
las instalaciones de la Ciudad del Motor de Aragón. Para el propósito de esta competición, el
equipo universitario debe considerarse integrado en una empresa fabricante de
motocicletas de competición, para desarrollar y fabricar un prototipo bajo unos
condicionantes técnicos y económicos dados. La competición en sí misma es un reto para los
estudiantes, donde, en un periodo de tiempo de tres semestres, han de demostrar y probar
su capacidad de creación e innovación y la habilidad de aplicar directamente sus capacidades
como ingenieros en comparación con los otros equipos de universidades de todo el mundo.
Fases de la competición
Las motocicletas son juzgadas en una serie de pruebas tanto estáticas como dinámicas,
que incluyen: exposiciones orales y de “stand”, inspecciones técnicas, demostraciones
dinámicas, etc. Para poder evaluar y puntuar los proyectos, la competición tiene un proceso
de selección por fases.
Para que las motocicletas y proyectos entren en competición o concurso deben
cumplir los requisitos previos de resistencia seguridad y funcionamiento indicados en el
reglamento técnico, el cual se presenta como anexo 1 al presente documento.
Los equipos que superan estos requisitos, compiten en la fase MS1, en la cual se
evalúa el proyecto bajo el punto de vista industrial con especial atención a aspectos
36
estéticos, técnicos y económicos. Esta evaluación, con sus criterios, jurado y premios se
indican en el anexo 2 de este documento.
Las motocicletas que superan estas pruebas participan en la fase de pruebas dinámicas
denominada MS2.
Para la valoración final se desarrolla una carrera en la que los participantes han de ser
pilotos federados de copas de promoción, seleccionados por los equipos participantes y
aprobados por la organización. Las pruebas y su valoración se encuentran definidos en el
anexo 2 anteriormente mencionado.
En la tabla 1 se muestra a modo de resumen las distintas fases de la competición que
se acaban de describir.
Excluyente Puntuable
Requisitos mínimos Si No
Fase MS1 (Proyecto) Si Si
Fase MS2 (Seguridad) Si No
Fase MS2 (Pruebas dinámicas) Si Si
Fase MS2 (Carrera) Si Si
Tabla 1 - Niveles a superar por los equipos participantes en MotoStudent
Todos los equipos participantes para ser evaluados en cualquiera de las categorías
deben superar el nivel mínimo tanto en MS1 como en MS2, es decir, ningún equipo puede
fijarse como objetivo participar en una sola de las categorías, ya que este hecho conculca el
espíritu mismo de la competición.
37
5. Antecedentes
Existen una gran cantidad de diseños de subchasis creados y desarrollados a lo largo de la
historia los cuales podrían presentarse como antecedentes al subchasis objeto del presente
proyecto.
El antecedente más directo es el proyecto de final de carrera de Justo Márquez Linares,
titulado “Diseño, cálculo, pruebas de fabricación y fabricación de un subchasis en material
compuesto para una motocicleta de competición”, el cual fue presentado en la Escuela Superior de
Ingenieros de Sevilla en Febrero de 2011 [10].
En este apartado se pretende hacer un breve resumen del mencionado antecedente,
resaltando por un lado aquellas partes que sirven de base y en las que se coinciden, y por otro
lado, señalando aquellos puntos en los que se difiere y el por qué de dichas diferencias.
Ambos proyectos tienen el mismo objetivo: diseño y fabricación de una estructura que
soporte el peso del piloto (subchasis) en una motocicleta de competición.
En las figuras 16 y 17 se observan una vista lateral y frontal respectivamente del subchasis
desarrollado por Justo Márquez. Se aprecia que el resultado de su proyecto consiste en un
subchasis monocasco.
38
Figura 16 - Vista lateral del subchasis de Justo Márquez
Figura 17 - Vista frontal del subchasis de Justo Márquez
En el subchasis monocasco, se emplea gran cantidad de material distribuido en diversas
direcciones. El primer objetivo para la creación del nuevo subchasis es reducir la cantidad de
material empleado, optimizando la distribución de las fibras.
39
Con el nuevo diseño de subchasis lo que se pretende conseguir es un diseño parecido a los
modelos existentes de subchasis en metales como acero o aleaciones de aluminio.
La experiencia en diseño y sobretodo en fabricación del subchasis y de otras estructuras
recogidas en el proyecto de Justo Márquez, pone en preaviso de las complicaciones e imprevistos
que pueden presentarse especialmente durante el proceso de fabricación con material
compuesto. Dichos problemas y dificultades son tenidos en cuenta en el diseño del nuevo
subchasis.
Desde la fase de diseño se debe pensar en la fabricación posterior, para que ésta sea
sencilla, y además, para estar seguros de que es posible conseguirla a partir de los medios
disponibles. Se debe procurar planificar al detalle la fase de fabricación, de manera que los
imprevistos se reduzcan al menor número posible.
Gracias a la experiencia previa de Justo Márquez en el nuevo subchasis se establece la idea
de un subchasis formado por piezas planas y laminado simétrico, evitando así deformaciones
debidas a la fabricación.
40
6. Requisitos generales
Los requerimientos generales del diseño de la motocicleta son establecidos en el reglamento
técnico de la competición Motostudent (anexo 1). Dichos requisitos tienen como finalidad
estandarizar y acotar el amplio abanico de posibilidades de construcción del prototipo de
motocicleta, buscando así conseguir una competencia objetiva entre los equipos participantes.
El reglamento técnico de la segunda edición de la competición Motostudent, se presenta
como anexo 1. En dicho documento se puede consultar la normativa al completo de la
competición mencionada, en cuanto a consideraciones de diseño y en cuanto a las verificaciones
que la motocicleta debe pasar para poder participar en la carrera.
En esta sección se resaltan aquellas restricciones de las establecidas en el reglamento, las
cuales afectan directamente al diseño del subchasis. No se entra en más detalle con el resto de
puntos de la normativa, porque los requerimientos particulares de componentes cómo la
dirección, el manillar, las llantas y/o los neumáticos, por ejemplo, no influyen en el diseño del
subchasis.
Se comienza por las limitaciones dimensionales:
- La distancia libre al pavimento con la motocicleta en posición vertical ha de ser de un
mínimo de 100 mm en cualquier situación de compresión de suspensiones y reglajes de
geometrías (figura 18).
41
Figura 18 –Vista de perfil de motocicleta para indicación de restricciones del reglamento
- Límite posterior: Ningún elemento de la motocicleta puede rebasar la línea tangente
vertical trazada a la circunferencia exterior del neumático trasero. (figura 18).
- Los neumáticos deben tener una tolerancia mínima de 15 mm con cualquier elemento
de la motocicleta en toda posición de la misma y reglaje de geometría.
- La anchura máxima del asiento debe ser de 450 mm. No puede sobresalir de esa
anchura ningún otro elemento de la motocicleta del asiento hacia detrás excepto el
sistema de escape. (figura 19).
Figura 19 - Planta de motocicleta para indicación de restricciones del reglamento
42
Figura 20 - Vista frontal de motocicleta para indicación de restricciones del reglamento
Considerando las cuatro restricciones mencionadas referentes a las dimensiones de la
motocicleta, se limita el ancho (a un máximo de 450 mm), y el largo (ningún elemento debe
sobrepasar la línea tangente vertical trazada sobre la circunferencia exterior del neumático
trasero).
En cuanto a la altura no se especifica nada, pero se verá más adelante, que aunque el
reglamento no limite esta dimensión, sí que se fija una restricción geométrica. Ésta y otras
restricciones de diseño se presentan en el apartado 1 perteneciente al capítulo II.
Con relación al peso de la motocicleta, también se debe recordar los dos siguientes
requerimientos prestablecidos por la normativa:
43
- El peso mínimo del conjunto de la motocicleta en orden de marcha incluido depósito,
gasolina y líquidos no debe ser inferior a 95 kg en cualquier momento de las pruebas. El
peso puede ser verificado tanto al inicio, como durante o al final de la competición.
- Está permitido lastrar el vehículo para alcanzar el peso mínimo.
En este aspecto el reglamento es mucho más permisivo, ya que está permitido lastrar la
motocicleta para alcanzar el peso mínimo (95 kg). No se establece un peso mínimo para el
subchasis. Por ello, intentaremos que dicho peso sea el menor posible. De esta forma siempre se
tiene la posibilidad de colocar lastres en puntos estratégicos que sitúen el centro de gravedad del
vehículo en el punto que más interese, el cual se encontrará a menor altura que si el subchasis
tuviese un peso mínimo preestablecido.
No se establece ninguna otra limitación en cuanto a materiales, costes, procesos de
fabricación o cualquier otra característica que afecte al diseño. Por ello se puede pasar ya, sin más
extensión en aspectos introductorios, a la presentación de la estructura del proyecto.
44
7. Estructura del proyecto
Con este último apartado se finaliza el capítulo de introducción, Capítulo I. Como ya se ha
adelantado un poco, o se puede deducir del índice, el proyecto se estructura en cuatro grandes
capítulos. El primero sirve de introducción; seguido por el Capítulo II, Diseño y cálculo del
subchasis, capítulo muy interesante donde se recogen las distintas fases seguidas durante el
diseño del subchasis; a continuación, el Capítulo III, Fabricación y montaje, en el cual se muestra el
trabajo técnico de fabricación; y finalmente, el Capítulo IV, Conclusiones y desarrollos futuros,
reflexión del trabajo realizado y propuestas de mejoras.
El presente Capítulo I, debe de haber servido para acercar el objeto del proyecto, las
motocicletas y la competición.
A continuación se prosigue con un breve resumen de los contenidos del mismo.
En primer lugar, se han visto las distintas partes que constituyen una motocicleta junto a la
función de cada una de estas y cómo afectan, en mayor o menor medida, al diseño del subchasis
cada una de ellas.
Se han visto distintos modelos de subchasis de motocicletas comerciales para captar las
características comunes a todos, a partir de las cuales comenzar a fijar las bases del diseño del
subchasis prototipo del equipo US-R Engineering.
También se ha dado a conocer la importancia de las competiciones en el desarrollo y
evolución de las motos, particularizando en la competición MotoStudent, que es la que interesa
realmente para la elaboración del presente proyecto.
Seguidamente se vuelve la vista a atrás para ver los antecedentes más directos al presente
proyecto: proyecto de final de carrera de Justo Márquez Linares [10]. Se describe brevemente en
qué consiste el subchasis diseñado en la edición precedente de Motostudent y se sientan las bases
y diferencias para el nuevo diseño de subchasis. Se pretende conseguir un subchasis parecido a los
existentes en metal.
45
Por último se ha concluido estableciendo las premisas a cumplir.
Tras este repaso al Capítulo I, se anticipa lo que espera a continuación.
El proceso de diseño recogido en el capítulo II se divide en diversas fases, las cuales han de
ser consecutivas.
Se comienza limitando la multitud de posibilidades de diseño. Ello se hace a través del
establecimiento de requisitos y preferencias.
Se hace un pequeño estudio previo sobre la diversidad de materiales que se pueden
emplear, comparando distintas características de los mismos, y concluyendo con la elección de
material compuesto: fibra de carbono-epoxi.
Para obtener un primer orden de magnitud se realiza el cálculo de tensiones soportadas por
las barras laterales del subchasis en base a un modelo de tensión plana en dos dimensiones. Para
ello es necesario recurrir a la teoría general del laminado y plantear una serie de hipótesis.
Se prosigue con la comparación de cómo influyen las distintas variables de diseño que
quedan por elegir en el valor de dichas tensiones resultado del modelo en dos dimensiones. Se
hace uso del software programador Matlab.
En la siguiente fase se afina el cálculo, haciendo uso del software ANSYS para la resolución
de un modelo de elementos finitos del diseño de subchasis elegido. Para ello se hace una
introducción al método de elementos finitos y al uso y manejo del software ANSYS. Se prosigue
con una explicación de los resultados obtenidos tras el análisis del modelo de elementos finitos
realizado.
Con todas estas fases queda concluido el diseño del subchasis. Pasando por tanto a la
descripción de la fabricación. Este capítulo se subdividirá también, al igual que el anterior en una
serie de etapas, las cuales han de desempeñarse de manera consecutiva.
46
Se diferencia entre: planificación de la fabricación (útiles, orden de corte de las láminas,
tiempos, etc); fabricación en sí, donde se lleva a la práctica la planificación establecida; montaje
(uniones entre las distintas piezas que constituyen el subchasis y de éste al chasis); y
modificaciones finales, en caso de ser necesarias.
La última parte, capítulo IV, es una sección de reflexión acerca de todo el trabajo realizado y
de las mejoras o evoluciones que se podrían aplicar al diseño
47
CAPÍTULO II: DISEÑO, CÁLCULO Y OPTIMIZACIÓN DEL SUBCHASIS
El Capítulo II comienza con la presentación de los requisitos de diseño: limitaciones
geométricas e hipótesis de carga.
A continuación, se presentan los materiales más empleados en la fabricación de elementos
estructurales de motocicletas: acero, aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio, materiales
compuestos (fibra de carbono-epoxi) y aleaciones de magnesio; y se elige uno de entre ellos.
Se realiza un primer modelo de tensión plana en dos dimensiones del subchasis.
Se implementa el cálculo del modelo en dos dimensiones en un programa matemático
desarrollado con Matlab para poder comparar los resultados que se obtienen al variar algunos
parámetros del diseño.
Para finalizar, se realiza un segundo modelo del subchasis, basado en el método de
elementos finitos, y empleando para ello el software ANSYS.
48
1. Requisitos de diseño
En este apartado se van a especificar todas aquellas indicaciones que limitan el diseño del
subchasis. Estas características sirven de guía a la hora de determinar la geometría, los materiales
empleados y demás opciones a determinar.
1.1. Características geométricas
Estos requisitos de diseño, en concreto, serán aquellos límites que establecerán el
posicionamiento del piloto durante la conducción.
Se trata del resto de componentes de la motocicleta que interactúan con el subchasis,
como el chasis al que irá anclado o el depósito de gasolina que aprovecha el espacio interior
que queda por debajo del subchasis. Es decir, en este subapartado se van a dar dimensiones
límites para que nada interfiera y el piloto conduzca la moto adoptando una postura
cómoda.
Antes de comenzar a estudiar los límites dimensionales, se ha de recordar que se parte
de la idea de una estructura simétrica respecto al plano longitudinal de la motocicleta, para
conseguir así una correcta ubicación del centro de gravedad del mismo. Además, la forma
básica de partida consiste en barras laterales y una superficie que conecte dichas barras
laterales por la parte superior. Dichas determinaciones fueron definidas en el apartado 3 el
Capítulo I, cuando se estudiaron varios subchasis comerciales.
1.1.1. Altura del asiento
Esta característica se fija teniendo en cuenta la confortabilidad del piloto. Para
ello se toman medidas de motocicletas existentes de similares características a la que
corresponde al motor del prototipo de la motocicleta diseñada por el equipo US-R
Engineering (motor 250 4T). De dichas mediciones se puede deducir que la altura del
asiento debe estar comprendida entre 600 y 800 mm, por lo que la estructura que se
49
diseñe no debe hacer exceder a la altura del asiento del piloto de estas
consideraciones.
Esto por sí solo no cierra el diseño del subchasis, ya que sólo se tiene un límite
superior, pero no se está fijando la altura del subchasis en sí. Para ello se necesita la
siguiente característica geométrica que se explica a continuación en el sub-apartado
1.1.2.
1.1.2. Barras de anclaje del chasis
La posición de las barras del chasis a las que se ancle el subchasis junto con el de
altura máxima del asiento fijada en el sub-apartado 1.1.1 son las características que
delimitan la altura de la estructura a diseñar.
Para determinar la inclinación y altura respecto al suelo a la que se encuentran,
no se procede como en el caso anterior, ya que este aspecto varía mucho más de unas
motocicletas a otras aunque sean de características similares, no como ocurría con la
altura del asiento. El chasis es diseñado por uno de los miembros del equipo US-R
Engineering. Será él con su diseño el que determine la inclinación y altura respecto al
suelo de estas barras de anclaje.
La posición de las barras de anclaje que delimitan la altura de diseño del
subchasis depende del proceso de optimización seguido para el diseño del chasis. El
diseño de éste, a su vez, varía en función de las características geométricas que
delimitan su estructura, las cuales son principalmente: la inclinación de la pipa de la
dirección y la distancia entre ejes de las ruedas junto con la longitud del basculante. La
distancia entre ejes de las ruedas y la longitud del basculante son los límites que
determinan la longitud horizontal del chasis, con lo que se concluye diciendo que, por
consiguiente, el diseño del subchasis depende a su vez del diseño del basculante.
Se puede observar, por tanto, la necesidad de coordinación dentro del equipo,
para que entre todos se llegue a una solución compromiso, compatible y sin perjudicar
ni complicar el diseño de otro elemento de la motocicleta.
50
El primer diseño adoptado para el prototipo de chasis de la motocicleta, es el
que se observa en la figura 21. A partir de las barras superiores indicadas en la figura
21 como barras de anclaje, se comienza a crear el primer diseño de subchasis, en base
a dichas barras límites y el resto de requisitos presentes en el presente apartado 1.
Figura 21 - Primer diseño de chasis del prototipo de motocicleta del equipo US-R Engineering
Debido a mejoras que se realizan en el diseño del chasis, la posición de las barras
de fijación es modificada. Por ello, al ensamblar alguno de los primeros diseños del
subchasis con el chasis modificado, se incumple la restricción de la altura especificada
en el sub-apartado 1.1.1, así como la restricción de la distancia a la pipa de la dirección
que se explica en el sub-apartado 1.1.3.
Se debe por tanto tener en cuenta que el diseño del subchasis ha de variar junto
con la variación de las barras de anclaje.
Barras de anclaje
51
En la figura 22 se aprecia el diseño definitivo de chasis. Cuya inclinación y altura
respecto al suelo de las barras de anclaje indicadas también en la figura, constituyen el
límite inferior del diseño de subchasis.
Figura 22 - Diseño final del chasis del prototipo de motocicleta del equipo US-R
Engineering
La inclinación de dichas barras con respecto a la horizontal es de 28,3 grados y el
punto inferior de la misma indicado en rojo en la figura 22 se encuentra a una altura
del suelo de 502 mm y a una distancia horizontal de la pipa de la dirección de 609 mm.
1.1.3. Distancia a la pipa de la dirección
La determinación de la distancia comprendida entre el asiento y la pipa de la
dirección depende por completo de la confortabilidad del piloto. Ya que a mayor
distancia, más tumbado deberá ir, y viceversa, a menor magnitud tenga esta medida,
más derecho deberá posicionarse para conducir la moto.
Barras de anclaje
52
Se toma como dimensión para esta distancia un valor comprendido entre 650 y
670 mm. Dicha medida se refiere a la distancia horizontal comprendida entre el
extremo superior delantero del subchasis y la pipa de la dirección.
1.1.4. Volumen interno al subchasis
El volumen interno del subchasis es el espacio comprendido entre la superficie
superior del mismo y el chasis. Este aspecto no es un límite en sí, pero sí algo a tener
en cuenta a la hora de determinar la geometría del subchasis, ya que se pretende
utilizar el espacio que queda comprendido dentro de la estructura como ubicación
para el depósito de gasolina.
El depósito de gasolina debe poder almacenar al menos 5 litros de combustible.
Para que dicho depósito se pueda situar en la localización especificada, se
necesita un ancho mínimo en la cavidad interna al subchasis. Este ancho varía en
función del área del diseño del perfil lateral que se obtenga con los tres criterios
dimensionales ya mencionados: altura del asiento, barras de anclaje al chasis y
distancia a la pipa de la dirección
Con las cuatro restricciones definidas en el presente apartado, ya se tiene una
geometría bastante limitada. Por ello, el análisis de soluciones se realiza sobre geometrías
muy parecidas.
En cuanto variables libres en el diseño geométrico, tan sólo es posible elegir los puntos
de anclaje a la barra del chasis elegida y los perfiles y dimensiones de las barras del
subchasis. Todo esto se verá en más detalle en el propio análisis de soluciones del apartado
4.
53
1.2. Fuerzas soportadas por la estructura
En este apartado se presenta la hipótesis de carga más desfavorable a la que se puede
ver sometido el subchasis.
La hipótesis de carga más desfavorable se produce cuando la motocicleta se encuentra
en máxima aceleración y el peso del piloto recae íntegro sobre el subchasis. Esta hipótesis
puede ser estudiada incluso sólo en dos dimensiones, gracias a que el subchasis es simétrico.
1.2.1. Hipótesis de carga básica más desfavorable
La simulación del peso del piloto sobre el subchasis se hace mediante una
distribución de carga vertical y hacia el suelo, de valor constante, aplicada sobre la
superficie superior del subchasis (zona correspondiente al asiento del piloto).
Los pilotos de motociclismo suelen tener un peso inferior máximo en de 60 kg.
Pero sería muy arriesgado diseñar una estructura para un valor de carga tan pequeño,
aunque se utilizase por supuesto un coeficiente de seguridad.
La competición Motostudent especifica en su normativa que se realiza una
prueba sobre el subchasis con una carga vertical de 200 kg. Por ello la magnitud de la
carga hipótesis es el valor de la prueba a la que se debe ver sometida la estructura,
multiplicado por un factor de seguridad de 1,2. No es necesario un coeficiente de
seguridad más alto, porque la hipótesis de carga de por sí es bastante superior a la
carga real que soporte el subchasis.
La carga hipótesis de diseño a la que se somete el subchasis es por tanto
calculada como se muestra en la ecuación (II.1):
(II.1)
54
Donde:
F el valor de la carga total expresada en Newton (N).
m la máxima carga expresada en kilos (kg) = 200 kg.
g la fuerza gravitatoria 9,8 m/s2 10 m/s2.
Se recuerda que el factor 1,2 de la ecuación (II.1) se debe a que se aplica un
coeficiente de seguridad aumentando la estimación de la masa en el 20%.
Por tanto, el valor de la carga de diseño, obtenido al sustituir los parámetros
definidos en la ecuación (II.1) es:
(II.2)
En la figura 23 se representa un esquema en dos dimensiones de las condiciones
de contorno y la carga de diseño sobre la estructura. El valor de la fuerza aplicada es la
mitad de la carga total calculada en la ecuación (II.2) debido a que en dos dimensiones
se representa solo uno de los dos laterales. En dicho esquema no se especifican
dimensiones ni posiciones de los nudos. Este aspecto se estudiará más adelante en el
apartado de análisis de soluciones una vez se hayan analizado todos los requisitos de
diseño a tener en cuenta.
55
Figura 23 - Esquema en dos dimensiones de la forma básica del subchasis
56
2. Materiales más utilizados en la fabricación de elementos estructurales de
motocicletas
A la hora de decidir con qué material fabricar el subchasis hay que tener en cuenta una serie
de características tales como: rigidez, densidad, ductilidad, resistencia, vida a fatiga, costes del
material y del proceso y de los métodos de unión disponibles o requeridos. Los valores de estas
características dependerán del tipo de uso y el grado de exigencia que se quiera obtener del
subchasis proyectado.
La importancia relativa que tiene cada una de las propiedades citadas dependerá de la
utilización que se le quiera dar a la moto. Por ejemplo, las propiedades relativas al coste son
mucho más importantes para el diseño de un ciclomotor producido en serie que para un prototipo
de un gran premio, en el que el precio es un factor secundario comparado con el peso.
Resulta muy útil a la hora de poder comparar una misma propiedad en distintos materiales,
no comparar el valor de la propiedad en términos absolutos del material, sino siempre hacerlo en
referencia a la estructura.
La tensión de rotura ( ) y el límite elástico ( ) del material, se usan para medir la
resistencia del subchasis. La tensión se expresa como la fuerza aplicada por unidad de sección
transversal del material, y la relación entre la carga aplicada y la deformación que produce se
denomina módulo de Young (E).
Antes de comenzar con la comparación de las propiedades de los materiales, se va a reducir
la gama de ellos a los más empleados en la fabricación de chasis y subchasis de motocicletas, estos
son: acero, aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio, material compuesto (fibra de carbono-
epoxi) y aleaciones de magnesio. En el subapartado 2.1, se describen brevemente y se ve en qué
casos se suelen emplear.
57
A continuación, se realiza una comparativa entre los materiales más utilizados en la
fabricación de elementos estructurales de motocicletas. Dicha comparativa está recogida en el
sub-apartado 2.2.
Para finalizar esta sección enfocada a los materiales, se justifica la elección del material y
explican un poco más en detalle sus propiedades. A ello se dedica el sub-apartado 2.3.
2.1. Materiales más comunes para la construcción de un subchasis
ACERO
Se entiende por acero la aleación de hierro y carbono en la que el porcentaje de
carbono no supera el 2% en peso. Los aceros son, por su ductilidad, fácilmente deformables
en caliente bien por forja, laminación o extrusión. Pueden templarse adquiriendo
extraordinaria dureza.
La definición anterior, sin embargo, se circunscribe a los aceros al carbono en los que
este último es el único elemento aleante, donde los demás elementos presentes lo están en
cantidades muy pequeñas, insuficientes para que su presencia cause modificaciones en las
propiedades de la aleación, pues de hecho existen multitud de tipos de acero con
composiciones muy diversas.
Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica de
aceros especiales, razón por la que aquí se ha adoptado la definición de los comunes o "al
carbono" que amén de ser los primeros fabricados y los más empleados, sirvieron de base
para los demás.
El acero es el material más común en el diseño de chasis de motocicletas. Esto se debe
a su coste en bruto relativamente bajo, el gran desarrollo de las técnicas de manipulación y
unión, y alto módulo de Young, con lo que se puede alcanzar una alta rigidez utilizando
tubos de pequeño diámetro.
58
ALUMINIO
La baja densidad, la conductividad eléctrica, la resistencia a la corrosión y el bajo punto
fusión del aluminio le convierten en un material idóneo para multitud de aplicaciones,
especialmente en aeronáutica. Sin embargo, la elevada cantidad de energía necesaria para
su obtención dificulta su utilización. Dificultad que puede compensarse por su bajo coste de
reciclado, su dilatada vida útil y la estabilidad de su precio.
El aluminio es un metal ligero, blando pero resistente de aspecto gris plateado. Su
densidad es aproximadamente un tercio de la del acero o el cobre, es muy maleable y dúctil
y apto para el mecanizado y la fundición. Debido a su elevado calor de oxidación se forma
rápidamente al aire una fina capa superficial de óxido impermeable y adherente que detiene
el proceso de oxidación proporcionándole resistencia a la corrosión y durabilidad.
Las aleaciones de Aluminio más idóneas para soldadura son las de Aluminio con
Magnesio o con Manganeso. Una muy empleada es la Al-Zn-Mg (compuesta por aluminio,
zinc y magnesio), la cual necesita de un proceso de soldadura delicado, pero presenta en
cambio un proceso de recuperación de la zona alterada térmicamente de hasta el 90%.
El aluminio se empleaba hace décadas para construir prototipos y motocicletas de
carreras, tanto chasis monocasco (figura 24) como de espina central (figura 25) de gran
sección. Algunos fabricantes realizaron espinas centrales en fundición de Aluminio, aunque
no era habitual el hacer un chasis completo de esta manera, ya que el espesor mínimo de la
pared que se necesita en el proceso de fundición solía dar lugar a unos componentes
excesivamente pesados.
59
Figura 24 - Chasis de aluminio monocasco
Figura 25 - Chasis de aluminio de espina central
Yamaha comenzó a fabricar los chasis hechos con tubo de Aluminio, sobre todo en
modelos para competición. En un principio se comenzó sólo construyendo el basculante en
aleación ligera, pero más tarde esta técnica se extendió a todo el chasis, de tal manera que,
en la actualidad, es casi universal el empleo de chasis de doble viga de aleación de Aluminio
en modelos de competición y deportivos. Debido a las características de fatiga del Aluminio,
es inevitable la rotura de componentes sujetos a tensiones cíclicas, por lo que estos tendrán
una vida limitada. Esto hace que en los modelos de calle, que tienen que tener una vida más
prolongada, los niveles de tensión deban ser menores, perdiendo en parte la ventaja del
peso al ser preciso usar más material.
60
TITANIO
El titanio es un elemento metálico de color gris oscuro, de gran dureza, resistente a la
corrosión y de propiedades físicas parecidas a las del acero. Posee muy buenas propiedades
mecánicas y además tiene la ventaja, frente a otros metales de propiedades mecánicas
similares, de que es relativamente ligero.
La aleación más empleada es la Ti-6Al-4V (con un 6% de Aluminio y un 4% de Vanadio),
permite una la fabricación de piezas con una relación resistencia/masa envidiable y es
posible esto le haga ser el material del futuro para la construcción de elementos mecánicos,
con resultados excepcionales, en el campo de las motocicletas de competición.
El uso del Titanio en chasis empezó hace algunos años, cuando éste dejó de ser un
metal de uso sólo en el ámbito aeronáutico. Sin embargo, hay cambios notables con
respecto a las aleaciones que se usaban en un principio y las actuales. En aquel momento, se
comenzaron a construir en Titanio los chasis tubulares, pero estos flectaban demasiado, ya
que el tamaño de los tubos era igual que el de los tubos de acero, y el Titanio tiene la mitad
de módulo elástico. Por esta razón, los primeros intentos fueron un fracaso debido a los
costes elevados. Además, los procesos de construcción muy rudimentarios hicieron el resto.
A mediados de los años 70, debido a que muy pocas empresas tenían fondos como
para desarrollar los conocimientos para el tratamiento y manejo del Titanio, la Federación
Internacional de Motociclismo (FIM) prohibió el uso de componentes de este material tanto
para el chasis como para las suspensiones en motocicletas de competición.
En la actualidad, la situación es completamente distinta, han aparecido en escena
nuevas aleaciones con mejores características, reduciéndose el precio final (a pesar de que
sigue siendo elevado).De esta manera el Titanio ya no es un material crítico, pudiendo ser
trabajado y tratado sin excesivas dificultades.
61
MATERIAL COMPUESTO (FIBRA DE CARBONO-RESINA EPOXI)
En el libro Introducción al análisis y diseño con materiales compuestos [11] se define a
los materiales compuestos como la combinación a escala macroscópica de dos o más
materiales con interfases de separación entre ellos para formar un nuevo material.
Las propiedades y el comportamiento del material compuesto, está no sólo
condicionado por las propiedades de cada uno de los elementos aislados (fibra o matriz),
sino también por la naturaleza y características de la interfase que se forma entre ambos
elementos.
En el caso de fibra de carbono-epoxi. Las fibras se caracterizan por su fragilidad y su
recuperación total ante esfuerzos inferiores a los de rotura. La matriz de resina epoxi tiene
como propiedad fundamental, la termoestabilidad, es decir, tiene buena respuesta al calor
ya que no se funde al ser calentada, aunque sí que pierde rigidez a partir de 300 °C.
En la tabla 2 se muestran el Módulo de Young y la resistencia a tracción de la fibra de
carbono (PAN Tipo I), la resina epoxi y el material compuesto fibra de carbono-epoxi.
Materiales Módulo de Young (E) Resistencia a tracción ( )
Carbono Base PAN Tipo I E11(longitudinalmente) 390 GPa
E22 (Trasversalmente) 12 Gpa 2200 MPa
Resina Epoxi 3-6 Gpa 35-100 MPa
Fibra de carbono-Epoxi 83 GPa 380 MPa
Tabla 2 - E y σ_u de la fibra de carbono-epoxi y sus componentes por separado
Las propiedades principales de este material compuesto son: elevada resistencia
mecánica, módulo de elasticidad elevado, baja densidad (en comparación con otros
elementos como por ejemplo el acero). En contraposición está su elevado precio de
producción.
62
Las razones del elevado precio de los materiales realizados en fibra de carbono se
deben a varios factores, por un lado el refuerzo, fibra, es un polímero sintético que requiere
un caro y largo proceso de producción. Este proceso se realiza a alta temperatura (entre
1100 y 2500 °C) en atmósfera de hidrógeno durante semanas o incluso meses dependiendo
de la calidad que se desee obtener. Por otro lado el uso de materiales termoestables (resina
epoxi) dificulta el proceso de creación de la pieza final, ya que se requiere de un complejo
utillaje especializado y de una autoclave para el curado del material.
Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en
barcos y en bicicletas, donde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes.
También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como patines
en línea, raquetas de tenis, ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pesca e incluso en
joyería.
Se trata de un material de uso relativamente reciente. Comenzó desarrollándose en la
industria aeronáutica y aeroespacial y rápidamente tuvo calado en la automovilística (en la
fórmula 1 ha tenido un impacto enorme). En el motociclismo le está costando más entrar a
nivel de piezas estructurales, aunque cíclicamente siempre han aparecido motocicletas de
competición que se basaban en él para fabricar el chasis o el basculante. De cualquier
manera lleva años instalado como base para la fabricación de carrocerías, tubos de escape,
manetas de freno, soportes, protecciones, y en general piezas que no tienen un compromiso
estructural alto pero donde se puede ahorrar algo de peso.
63
MAGNESIO
El magnesio elemental es un metal liviano, medianamente fuerte y de color blanco
plateado. Se ha usado para construir chasis de espina central o chasis monocasco como el
famoso chasis Ossa (figura 26).
Figura 26 - Chasis Ossa tipo monocasco de aleación ligera de magnesio
Sin embargo, no está muy extendido su empleo debido a su elevado coste y a las
dificultades que presenta para soldar. Además, tiene la dificultad añadida de una vida
limitada, debido tanto a la fallo por fatiga como a la corrosión. Si se acepta esta limitación y
se dispone de un presupuesto amplio, quizás sería interesante la fabricación de un subchasis
triangulado a partir de tubos de magnesio soldados.
2.2. Comparativa de materiales
Una vez descritos los materiales más empleados en la fabricación de estructuras de
motocicleta se realiza un estudio comparativo entre ellos.
64
Las ventajas del acero sobre el aluminio residen en que es más barato y más fácil de
trabajar (no necesita soldadura TIG), y tiene una mayor tenacidad, es decir, puede absorber
vibraciones, torsiones o impactos sin agrietarse o romperse. El aluminio en cambio es mucho
más ligero que el acero (alrededor de 3 veces), lo cual constituye la principal ventaja de este
material consiguiendo chasis muy resistentes y ligeros. Además, el aluminio no se oxida ni se
erosiona con facilidad, al contrario que la mayoría de aceros (salvo los inoxidables). Sin
embargo necesita ser soldado por soldadura TIG y no es tan común como el acero, por lo
que suele resultar más caro.
Para realizar una correcta comparación de las propiedades en los distintos materiales,
no se debe comparar el valor de la propiedad en términos absolutos del material, sino
siempre hacerlo en referencia a la estructura. Por ello en la tabla 3, se presentan para los
cinco materiales estudiados (acero, aluminio, titanio, fibra de carbono-epoxi y magnesio) la
densidad, la tensión de rotura y el módulo de Young, estos dos últimos en valor absoluto y
en relación a la densidad.
Es cuando se relaciona con la densidad cuando se encuentra que un material que
destaca sobre el resto, y éste es la fibra de carbono-epoxi.
En cuanto a precio, la fibra de carbono y las aleaciones de titanio son los materiales
más caros de los comparados.
También resaltar por último la desventaja de la corrosión que presentan el acero y las
aleaciones de magnesio, aunque existen tratamientos superficiales para retrasar este
fenómeno.
65
Mó
du
lo d
e Y
ou
ng
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ensi
dad
(
)
0,2
7
0,2
6
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7
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8,8
Mó
du
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2,1
0,7
1,2
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0,4
4
Ten
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(k
gf/m
m2)
47
-83
17
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47
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6
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0
19
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3)
7,8
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1,7
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Tabla 3 - Propiedades mecánicas de los materiales más empleados en subchasis
66
2.3. Material seleccionado
Una vez se han señalado las ventajas y desventajas de los cinco materiales más
empleados en la fabricación de elementos estructurales en las motocicletas, es el momento
de justificar la elección del material para el prototipo de subchasis a diseñar.
El coste es la mayor desventaja de algunos materiales como las aleaciones de titanio o
el material compuesto fibra de carbono-epoxi. Debido al ajustado presupuesto del que se
dispone para la fabricación del prototipo completo de motocicleta, el precio constituye un
factor importante.
El Laboratorio de elasticidad y resistencia de los materiales (LERM) propone al equipo
US-R Engineering participar como patrocinador mediante el suministro del material y de los
medios necesarios para la fabricación en el caso de elegir como opción un material
compuesto de los que disponen.
La elevada resistencia mecánica, el módulo de elasticidad elevado, la baja densidad, y
el hecho de no tener que considerar la desventaja del precio gracias al patrocinio del LERM,
hacen de la fibra de carbono-epoxi el material más apropiado para el diseño y fabricación del
subchasis.
Añadir también como motivos personales del autor: la curiosidad y ganas de aprender
a trabajar con dicho material, ya se considera un material de uso relativamente reciente y es
muy utilizado en industrias punteras como el sector aeronáutico.
67
3. Primera aproximación del cálculo de tensiones de las barras laterales del
subchasis
Una vez prestada atención a todas las consideraciones mencionadas en los apartados 1 y 2
del Capítulo II, se puede comenzar a elaborar un primer diseño, al que se denomina en adelante
como prediseño o primera aproximación.
Esta primera aproximación consiste en el cálculo de una aproximación de las tensiones
normales soportadas por las barras laterales del subchasis en base a un modelo de tensión plana
en dos dimensiones.
Posteriormente en el apartado 4, se utiliza este mismo prediseño para comparar cómo
influyen las distintas variables de diseño que quedan por elegir en el valor de dichas tensiones
resultado.
Además, más adelante, en el apartado 5, cuando se realiza el análisis estructural mediante
un modelo de elementos finitos, el cálculo realizado en este prediseño sirve de ayuda para
discernir si tienen o no sentido los resultados obtenidos por el modelo de elementos finitos,
evitando así posibles errores.
Para obtener estos valores aproximados de las tensiones soportadas por las barras laterales
de la estructura, se plantea el sistema de ecuaciones de rigidez asociado al modelo en dos
dimensiones de la estructura que se muestra en la figura 27, en la que se indican los tipos de
apoyos utilizados, así como la nomenclatura seguida para designar los nudos y las barras.
Los nudos 1 y 2 son nudos rígidos debido a que se piensan fabricar las cuatro barras A, B, C y
D como una única pieza.
En cambio, los nudos 3 y 4 son apoyos articulados, ya que estas fijaciones al chasis, al tener
que ser desmontables, se realizarán mediante tornillos.
68
Figura 27 - Nomenclatura de nodos y barras del subchasis
(II.3)
Donde y se obtienen a partir de la hipótesis de carga (subapartado 1.2.1); y y son
nulos, ya que son los desplazamientos de los apoyos. Teniendo en cuenta dicha consideración, se
anulan las últimas dos columnas, ya que irán multiplicadas por los vectores nulos y .
Quedando el sistema de ecuaciones (II.3) simplificado como se observa a continuación en el
sistema de ecuaciones (II.4):
(II.4)
Las matrices de rigidez Ki del sistema de ecuaciones (II.4) se obtienen a partir del formulario
de matrices de rigidez para barras de nudos rígidos o articulados [12], según sea el caso. Dichas
matrices son propias de los materiales isótropos.
Nudo rígido 1
Nudo rígido 2
Apoyo articulado 4
Apoyo articulado 3
Barra A
Barra B
Barra C
Barra D
69
La fibra de carbono-epoxi que se empleará en la fabricación de las barras laterales del
subchasis viene dispuesta en forma de pre-preg con la fibra direccionada en una única dirección.
Dicha forma del material base se considera como material ortótropo.
Según se distribuyan las capas, se obtendrán unas propiedades globales del laminado
distintas. La disposición de las capas de pre-preg se hará de forma simétrica.
Debido a que nuestra estructura estará formada por barras de pared delgada, se puede
establecer la hipótesis de que las secciones se mantienen planas tras la deformación, lo cual se
traduce en una expresión lineal de las deformaciones longitudinales en la sección:
(II.5)
Suponiendo despreciables las deformaciones en dirección y y z:
(II.6)
Considerando la depreciación recogida en la ecuación (II.6), se puede expresar la tensión
normal longitudinal cómo:
(II.7)
Donde el módulo elástico E, en esta primera fase de cálculo, se obtiene como un módulo de
elasticidad del laminado equivalente a partir de las distintas capas (II.8):
(II.8)
Para la obtención de la matriz de comportamiento, es necesario explicar la teoría general de
laminados [11].
70
Teoría general de laminados
Se parte de la ecuación de comportamiento de una lámina en ejes no principales (II.9)
y de la hipótesis de Kirchhoff (II.14).
(II.9)
Donde la matriz representa las rigideces de la lámina en ejes no principales. Para
calcularla se emplea la ecuación (II.10).
(II.10)
Siendo:
(II.11)
(II.12)
(II.13)
71
La matriz (II.11) es la matriz de rigidez de una lámina en ejes principales de la misma, la
matriz (II.12) es la que relaciona las deformaciones en ejes principales y en ejes de
ortotropía, y la matriz (II.13) es la matriz de giro.
La hipótesis de Kirchhoff establece que una línea perpendicular a la superficie media,
permanece perpendicular a la superficie media deformada, sin acortarse ni alargarse:
(II.14)
Calculando las deformaciones no nulas, y sustituyéndolas en la ecuación (II.9), se
obtiene la ecuación (II.15), donde z corresponde a coordenadas de la lámina.
(II.15)
Las deformaciones ,
y representan las deformaciones de laja (alargamientos y
distorsiones) en el plano medio del laminado, y las deformaciones ,
y las de placa
(curva de flexión y torsión) también en el plano medio.
Sustituyendo la ecuación (II.15) en el concepto de esfuerzos internos definido como la
resultante de tensiones, y sabiendo que los términos son independientes de z, se obtiene
la relación entre esfuerzos y deformaciones que se buscaba (II.16):
72
(II.16)
De la relación (II.16) se pueden definir los elementos de las matrices, A, B y D:
(II.17)
(II.18)
(II.19)
Donde z corresponde a la distancia de la lámina k al eje medio del laminado, y son los
elementos de la matriz de rigidez de la lámina k en direcciones no principales.
73
Las propiedades del material que se utiliza para la fabricación de los laterales del subchasis,
son las siguientes:
Resistencias:
Rigideces:
Se calcula a partir de la relación (II.20).
(II.20)
Para estructurar y mostrar de forma clara los cálculos del proceso seguido, se organizan los
distintos pasos en diferentes sub-apartados.
En un primer momento, se calculan las matrices de rigidez de cada capa en ejes del laminado
mediante las ecuaciones (II.10).
Estas matrices sirven para calcular a partir de ellas las matrices A, B y D, a través de las
ecuaciones (II.14), (II.15) y (II.16). Una vez obtenidos los resultados, es posible calcular el módulo
elástico equivalente del laminado a partir de la ecuación (II.8).
A continuación, ya se tienen todos los datos necesarios para resolver el sistema de
ecuaciones (II.4).
Una vez resuelto dicho sistema de ecuaciones, se pueden calcular los esfuerzos soportados
por las distintas barras.
74
En base a los esfuerzos se obtienen las tensiones normales soportadas por las distintas
barras de la estructura. Se aproximan las tensiones normales de las barras por el esfuerzo axial
dividido entre el área perfil de la barra.
3.1. Matrices de rigidez de las distintas capas del laminado
Se comienza eligiendo un laminado, para lo cual se siguen las indicaciones enumeradas
a continuación:
- situar las láminas de en las caras exteriores, ya que las tensiones normales
longitudinales máximas se dan en los extremos, y este tipo de láminas son las que
soportan mayores tensiones.
- Como en la parte central del laminado se dan las tensiones tangenciales máximas,
en dicha zona se deben colocar láminas a que son las que soportan mejor las
tensiones tangenciales.
- Añadir alguna lámina a que contrarreste posibles cargas perpendiculares.
Dicho todo esto se llega a la elección del siguiente laminado:
(II.21)
A continuación se calculan las matrices de rigidez de cada lámina constituyente del
laminado (II.21), empleando para ello las ecuaciones (II.10), (II.11), (II.12) y (II.13).
Para las láminas de 0° y 90°:
(II.22)
(II.23)
(II.24)
(II.25)
75
Con lo que las matrices de las láminas de y resultan como se muestra en la
expresión (II.26):
(II.26)
Para las láminas con la fibra a y se deben girar las matrices de ejes
principales de la matriz a ejes de ortotropía del laminado haciendo uso de la ecuación (II.10),
en la que se sustituyen las matrices (II.12) y (II.13).
Particularizando para un laminado con las fibras formando un ángulo con los
ejes de ortotropía, se obtiene el siguiente resultado de la matriz T (II.13):
(II.27)
Y su correspondiente inversa:
(II.28)
Dicho todo esto se puede calcular la matriz de rigidez de la capa con fibras a 45° a
partir de la ecuación (II.10), sustituyendo adecuadamente los valores de las matrices (II.27) y
(II.28).
(II.29)
76
Siguiendo el mismo procedimiento que con las láminas de 45°, se calculan las matrices
(II.12) y su inversa para :
(II.30)
(II.31)
Sustituyendo (II.30) y (II.31) en la ecuación (II.10):
(II.32)
3.2. Matrices A, B y D
Con las matrices de rigidez de cada una de las capas del laminado calculadas y los
espesores de dichas capas, se puede calcular la matriz de comportamiento del laminado a
partir de las ecuaciones (II.17), (II.18) y (II.19).
Se denomina t al espesor del laminado completo, como todas las láminas tienen el
mismo espesor, éste debe ser t/8.
77
Se comienza por los elementos de la matriz A:
(II.33)
Procediendo de igual forma que en el cálculo de (II.33) se obtienen el resto de
elementos de la matriz A:
(II.34)
(II.35)
(II.36)
(II.37)
(II.38)
Con lo que se obtiene la matriz A, sabiendo que el espesor total del laminado (t) se
puede expresar como , siendo n el número de láminas y s el
espesor de una lámina:
(II.39)
En el caso de la matriz B, por tener un laminado simétrico, los términos de las láminas
con la misma dirección, al estar a igual distancia del plano medio, se anulan. Se puede
78
observar en el cálculo del primer término de la matriz B a partir de la ecuación (II.19). E igual
sucede con el resto de términos de la matriz.
(II.40)
Por tanto:
(II.41)
Particularizando para cada uno de los elementos de la matriz D a partir de la ecuación
(II.19), se tienen las siguientes expresiones:
(II.42)
(II.43)
(II.44)
(II.45)
(II.46)
(II.47)
79
(II.48)
Se prosigue con la sustitución de las matrices A (II.39), B (II.41) y D (II.48) en la matriz
.
(II.49)
Se le hace la inversa a la matriz (II.49).
(II.50)
Con el primer término de la matriz (II.50), se puede calcular el módulo equivalente del
laminado (II.21) a partir de la ecuación (II.8).
(II.51)
80
3.3. Matrices K
Para el cálculo de las matrices K, se debe recurrir al formulario de matrices de rigidez
para barras de nudos rígidos y/o articulados [12].
Sería necesario establecer el ancho de las barras y la longitud de las barras (L), pero
esto se realizará en el apartado 4, donde se calculan concretamente los valores de tensiones
de las barras para diferentes configuraciones.
Para el cálculo de las matrices asociadas a la barra A se emplean las siguientes
matrices extraídas del formulario mencionado.
(II.53)
(II.54)
(II.55)
(II.56)
Para las matrices correspondientes a la barra B se toman las siguientes:
81
(II.56)
(II.57)
Se continúa con las necesarias para la barra C.
(II.58)
(II.59)
Para finalizar con las matrices de rigidez asociadas a las barras, se expresan las
correspondientes a la barra D.
(II.60)
82
(II.61)
En todas las matrices de rigidez asociadas a las barras:
- E corresponde con el módulo equivalente del laminado, calculado en el
subapartado3.2.
- L corresponde con la longitud de la barra según el caso.
- A es el área del perfil de cada una de las barras.
- son los ángulos que forman las barras con la horizontal.
- es el momento de inercia de cada una de las barras.
3.4. Resolución del sistema de ecuaciones
Para resolver el sistema de ecuaciones (II.4) se sustituyen en él todas las matrices
calculadas en base a las expresiones de las matrices comprendidas desde la (II.52) a la (II.61),
ambas inclusive.
En primer lugar se obtienen y a partir de las dos primeras ecuaciones del
sistema. Procediendo como se detalla en el siguiente desarrollo.
En primer lugar, se realiza la multiplicación matricial de la matriz de rigidez por el vctor
de desplazamientos.
A continuación, se despeja de la primera de las ecuaciones los desplazamientos del
nodo 2.
83
Para finalizar, se despejan los desplazamientos del nodo 1 de la segunda ecuación y se
sustituyen los desplazamientos del nodo dos por su valor despejado en el paso anterior.
(II.62)
Una vez calculados los desplazamientos de los nodos 1 y 2 a partir del desarrollo
(II.62), es posible calcular las reacciones en los apoyos y a partir de la tercera y la
cuarta ecuaciones del sistema (II.4).
(II.63)
3.5. Tensiones
Se resuelve la estructura, es decir, se calculan los esfuerzos en las barras a partir de las
reacciones en los apoyos y de las fuerzas aplicadas en los nodos 1 y 2.
Una vez resuelta, se aproximan las tensiones normales en base a la siguiente ecuación,
donde N es el esfuerzo axial y A, el área del perfil de la barra.
(II.64)
Éstas serán las tensiones a comparar para las distintas opciones que se planteen en el
apartado 4.
84
4. Influencia de las variables de diseño libres en las tensiones soportadas por
las barras laterales del subchasis
Tras finalizar el prediseño, se decide programar el cálculo de tensiones descrito en el
apartado 3 para así poder comparar los resultados en función de diferentes variables (distintos
laminados, variación en las distancias a la que se colocan los puntos de anclaje al chasis o
diferentes anchos de las barras).
Para implementar todo el cálculo se hace uso del software matemático Matlab. A
continuación se explica cómo se organiza el programa y las funciones creadas para conseguir dicho
cálculo de tensiones.
Una vez se ha constituido el programa de cálculo, se introducen variaciones en el ancho de
las barras, en los puntos de anclaje al chasis y en la configuración de los laminados.
Tras estas comparativas, se selecciona un diseño tomando las mejores opciones de entre las
comparadas.
4.1. Programa para el cálculo de tensiones en las barras laterales del subchasis
En el programa Matlab se crean distintas funciones para conseguir el cálculo
desarrollado en el apartado 3.
El programa se organiza partiendo de un archivo principal llamado tensionesmax.m en
el cual se pueden modificar las siguientes variables:
- Distancia del punto de anclaje inferior (nodo 4) al punto inferior de la barra de
anclaje, cuya posición fue dada en el apartado 1 del Capítulo II.
- Distancia entre el anclaje 3 y el 4.
- Ancho de las barras
- Laminados
85
Las siguientes variables que eran libres han sido fijadas:
- La altura del asiento que podía estar entre 600 y 800 mm. Optamos por 750 mm.
- El largo del asiento, es decir, la distancia entre los puntos 1 y 2, se establece que
debe ser 230 mm.
El resultado del programa tensionesmax.m es el valor de la tensión normal máxima
para cada una de las barras. Para ello, el programa principal recurre a unas funciones
secundarias creadas para resolver el cálculo. Dichas funciones son: MEequi.m, art_rig.m, y
rig_rig.m. MEequi.m llama a su vez a otras tres funciones: matrizA.m, matrizB.m y
matrizD.m.
Las funciones matrizA.m, matrizB.m y matrizD.m requieren de las matrices de rigidez
de las láminas y del espesor de las mismas, y como sus propios nombres indican devuelven
respectivamente la matriz A, B y D definidas en las ecuaciones (II.17), (II.18) y (II.19).
MEequi.m devuelve el módulo elástico equivalente a partir del laminado y los datos del
material.
art_rig.m, y rig_rig.m calculan las matrices de rigidez de las barras en base al área, el
módulo elástico equivalente del laminado, el momento de inercia de la barra y la longitud de
la misma. La primera para el caso de barra con un nudo rígido en un extremo y un nudo
articulado en el otro, como es el caso de las barras B, C y D. Y la segunda función para las
barras con nudos rígidos en ambos extremos, como la barra A.
4.2. Influencia de las variables libres
Gracias a la implementación del proceso de cálculo en Matlab, se obtienen los valores
de tensiones máximas en las barras para distintas configuraciones.
En la figura 28 se indican dos de los parámetros a variar para la obtención de distintas
configuraciones.
86
A
B
DC
d
p
Figura 28 - Esquema subchasis con parámetros de anclajes libres
La cota p representa la distancia del anclaje inferior (nodo 4) al punto inferior de la
barra del chasis, d corresponde a la distancia entre anclajes, Wi es el ancho asignado a cada
una de las barras, y L el laminado.
Se prueban configuraciones con valores comprendidos entre los siguientes límites:
(II.65)
(II.66)
(II.67)
Todos los laminados probados cumplen la condición de cuasi-isotropía.
En la tabla 4 se presentan los valores elegidos para las variables libres en una de las
configuraciones probadas.
87
Variables Valores asignados
p 0 mm
d 275 mm
WA 40 mm
WB 40 mm
WC 40 mm
WD 40 mm
L [0/90/45/-45]s
Tabla 4 – Ejemplo de los valores de las variables libres para una
de las configuraciones calculadas en Matlab
Para la configuración expresada en la tabla 4 se obtienen las tensiones normales
máximas , donde i hace referencia a la barra: i= A, B, C o D.
(II.68)
(II.69)
(II.70)
(II.71)
A partir de las tensiones máximas obtenidas para distintas configuraciones, se llega a
las siguientes conclusiones:
- La distancia entre los apoyos 3 y 4 debe ser lo mayor posible.
- Interesa que el apoyo 3 sea anclado a la barra del chasis en el punto más bajo
posible. Esto se debe a que así se puede conseguir una mayor distancia entre los
puntos 3 y 4.
- El ancho de las barras debe ser también el mayor posible. Aunque debemos llegar
a un compromiso, para no emplear más material del necesario.
88
- De todos ellos se elige el siguiente para todo el lateral del subchasis:
(II.72)
El diseño del subchasis se determina en base a las conclusiones extraídas de la
comparativa de las diferentes soluciones.
En un primer instante se decide que dichos laterales sean totalmente verticales, y así la
parte superior queda rectangular. Pero debido al diseño del tubo de escape de gases del
motor que requiere una mayor altura del subchasis. Se opta por elegir una parte superior
inclinada, donde la parte trasera se encuentre a mayor distancia del suelo. Para conseguir
dicha inclinación en la parte superior del subchasis, se inclinan los laterales el ángulo
necesario para que la estructura siga siendo formada por planos.
89
5. Cálculo del subchasis a partir de un modelo de elementos finitos
Para la creación y análisis del modelo de elementos finitos del subchasis se hace uso del
software de análisis de elementos finitos ANSYS.
En primer lugar se define qué es el método de elementos finitos [13]. Se prosigue una breve
introducción al software ANSYS basada en el tutorial de ANSYS de Juan José del Coz Díaz de la
Universidad de Gijón [14]. Se finaliza con el análisis del subchasis para comprobar que cumple con
los criterios de resistencia fijados.
5.1. Método de elementos finitos
El método de los elementos finitos (MEF en lo sucesivo) es un método que permite
obtener una solución numérica aproximada en sistemas mecánicos o físicos, debido a la
versatilidad en su aplicación. El MEF es un algoritmo que permite la resolución de sistemas
de ecuaciones diferenciales con condiciones de contorno, por lo que se podrán obtener
soluciones aproximadas de cualquier sistema físico del que se pueda obtener un modelo
matemático que resulte en un sistema de ecuaciones diferenciales con condiciones de
contorno. Entre otros se encuentran problemas de transmisión de calor, mecánica de
fluidos, campos electromagnéticos, y, por supuesto, sistemas mecánicos.
La solución exacta será calculada en los nodos, pero en el resto de puntos del sistema
la solución será extrapolada de aquella obtenida en los nodos. Hay problemas en los que es
imposible obtener una solución exacta, y recurrir al MEF es la única forma práctica de
obtener una solución aproximada.
La transformación de un sistema de ingeniería (con infinitas incógnitas) a un modelo
de elementos finitos requiere un conocimiento profundo del método de elementos finitos,
ya que dicho modelo es una idealización matemática de un sistema real cuyo
comportamiento deberá, al menos, ser intuido, pues de otro modo la modelización puede
ser muy laboriosa o imposible.
90
Para empezar lo que se hace es dividir el problema inicial, en principio complejo, en
sub-problemas mucho más sencillos cada uno. En el campo de la mecánica lo que se hace es
dividir la geometría en subdominios más pequeños y no intersectantes, y de ahí el nombre
“elementos finitos”. La geometría de estos subdominios es muy variada, y cada vez aparecen
nuevas morfologías en las que poder subdividir la geometría principal. Pueden ser tanto
bidimensionales como tridimensionales, predominando en cada caso los
triángulos/rectángulos y los tetraedros/cubos, respectivamente. También hay subdominios
de caras curvas, para aproximar geometrías curvas, y muchas formas variadas, apropiadas
para cada caso que sea posible encontrar.
En los subdominios (elementos) que se acaban de describir, se encuentran una serie de
puntos relevantes llamados nodos. Estos puntos se sitúan en los extremos de las líneas o
superficies que contienen al elemento. En estos nodos será donde se calcule la solución
exacta, como se dijo previamente. Un nodo puede pertenecer al mismo tiempo a varios
subdominios, de la misma manera que un subdominio tendrá 2 o más nodos. De esta forma
se crean unas interrelaciones entre los nodos, con las líneas o superficies que los unen
dividiendo distintos elementos. Este entramado de líneas, superficies y nodos es lo que se
conoce como “malla”. Un buen mallado es fundamental para obtener una buena solución
aproximada.
Se define por tanto:
- Nodo, localización en el espacio de un punto en el que se considera que existen
ciertos grados de libertad (desplazamientos, potenciales, temperaturas, etc.)
y acciones (fuerzas, corrientes, condiciones de contorno, etc.) del sistema
físico.
- Elemento, subdominio del problema cuya solución se obtiene de forma aproximada a
partir de la interacción entre los grados de libertad del conjunto de nodos
que se le asocian.
Como se menciona en la definición de nodo, cada uno de ellos tiene ciertos grados de
libertad (en adelante GDL) que caracterizan la respuesta del campo, es decir, cada nodo
tiene unas ecuaciones diferenciales que representan el problema que se quiere resolver. Los
91
GDL (las ecuaciones) en un nodo dependen de los elementos que se conectan en dicho
nodo, los cuales se “pasan” la información (condiciones de contorno) de unos a otros a
través de los nodos comunes.
Particularizando para un sistema estructural, el conjunto de GDL incluye tres
traslaciones y tres rotaciones, y las condiciones de contorno incluyen restricciones de
desplazamientos, fuerzas aplicadas en los nodos, presiones sobre elementos, temperaturas
en los nodos y cargas volumétricas o de inercia (gravedad).
5.2. Introducción a ANSYS
Las diferentes partes en que se divide el entorno gráfico interactivo de ANSYS (de aquí
en adelante GUI, de sus siglas en inglés graphical user interface) son:
MENÚ UTILIDADES (Utility menú): en la parte superior, donde se agrupan los menús
desplegables con la mayoría de las utilidades
necesarias para controlar el entorno de la
aplicación, los ficheros, la selección de entidades,
efectuar listados, controlar los menús,…
MENÚ DE ENTRADA: donde se pueden escribir los comandos de ANSUS
directamente, siendo ejecutados por el programa.
BARRA DE HERRAMIENTAS (Toolbar): donde pueden ponerse aquellos comandos de uso
más frecuente, para su uso inmediato.
MENÚ PRINCIPAL DE ANSYS (Main menú): en él se encuentran los diferentes programas de
que se compone la aplicación, y que permiten la
realización del modelo de elementos finitos, la
aplicación de solicitaciones y la posterior revisión
de resultados.
92
VENTANA GRÁFICA (ANSYS Graphics): donde se muestra toda la información gráfica
necesaria para la visualización, creación del
modelo y revisión de resultados.
VENTANA DE SALIDA (Ouput): en el caso de no haber redirigido la salida a un
fichero, se mostrará por esta ventana toda la
información que el programa vaya generando a
medida que se trabaja con ANSYS.
Una vez se conocen los menús y ventanas del GUI de ANSYS, se es capaz de
comprender el procedimiento que se debe seguir para la creación de un modelo de
elementos finitos de un sistema estructural, la aplicación de solicitaciones y condiciones de
contorno, y la resolución del problema.
1. Seleccionar la opción Preferences en el menú principal, y marcar la casilla
correspondiente a análisis estructural en la ventana que aparece, como se observa en
la figura 29.
Figura 29 - Preferences de Ansys
93
2. Desplegar la lista de subopciones correspondientes a Preprocessor en el menú
principal (figura 30) para realizar la elección del tipo de elemento, las constantes
reales, la geometría, el material, el modelado, el mallado, las cargas,…
Figura 30 - Opciones de la sección Preprocessor de ANSYS
3. Una vez realizado el modelo, se resuelve empleando para ello la opción Solution del
menú principal.
4. Para finalizar se analizan los resultados a través de la opción General Postproc del
menú principal.
94
5.3. Consideración previa al análisis del subchasis con el modelo de elementos
finitos
El prediseño del subchasis se ha hecho en base a un modelo en tensión plana, es por
ello que no se ha considerado previamente el diseño de la parte superior del subchasis.
El laminado de la parte superior del subchasis es el siguiente:
(II.73)
En este caso el material empleado es tejido de fibra de carbono-epoxi, donde las fibras
vienen dispuestas ortótropamente y entrelazadas, como se aprecia en la figura 31.
Resistencias:
Rigideces:
Figura 31 - Tejido de fibra de carbono-epoxi, con las fibras dispuestas ortótropamente y de forma entrelazada
95
5.4. Análisis del subchasis con ANSYS
En este subapartado se describe el modelo de elementos finitos del subchasis
realizado mediante el uso del programa ANSYS, siguiendo los pasos descritos en el
subapartado anterior.
Se emplea el tipo de elemento SHELL181 (figura 32), que es el correspondiente a un
elemento tipo lámina con capas. Ver anexo 3 para más información.
Figura 32 - Elemento tipo Shell 181 de ANSYS
Debido a la sencillez de la geometría del subchasis, se realiza un mallado también
bastante homogéneo. En la figura 33 se muestra el mallado realizado sobre el subchasis.
96
Figura 33 - Modelado del subchasis en ANSYS
En la figura 33 también se observa cómo se han modelado los apoyos, para ello se ha
aplicado la restricción de desplazamientos en las tres direcciones (x, y, z) a todos los nodos
de las cuatro líneas inferiores del subchasis.
En cuanto a la carga, se modela como una presión ejercida sobre el área superior,
representada en la figura 32 en color rojo.
A la hora de asignar el laminado (II.72) a las partes laterales del subchasis, hay que
tener en cuenta que en las intersecciones de las barras se alternarán los laminados de las
mismas. Quedando en los nudos dichos laminados alternados con la dirección de las propias
barras.
En cuanto a los resultados obtenidos, el subchasis soporta perfectamente la carga
hipótesis. En la figura 34 se muestran las tensiones normales para el subchasis diseñado.
97
Figura 34 - Tensiones normales soportadas por el subchasis
Se puede observar que la parte superior del subchasis y las barras C y D trabajan a
compresión. Las que toman valores más elevados son las barras C, llegando hasta los 36,17
MPa. Las tensiones en la parte superior del subchasis y en las barras D en cambio son muy
inferiores, prácticamente nulas en algunas zonas. Las barras A y B trabajan a tracción. Los
valores más altos se encuentran en la unión de ambas y en la parte inferior de la barra A,
tomando un valor máximo de 76,85 MPa.
En cuanto a los desplazamientos máximos, se obtienen para la dirección vertical. Su
valor máximo de 1 mm aparece en el centro de la parte superior del subchasis. Lo cual es
totalmente aceptable.
98
CAPÍTULO III: FABRICACIÓN Y MONTAJE
En el Capítulo III se describirá paso a paso todas las tareas realizadas para la fabricación del
subchasis diseñado en el Capítulo II.
Se comienza con una introducción a la fabricación, donde se detallan las distintas fases de
las que consta. Y se prosigue con la explicación de los pasos a seguir para la realización de cada
una de esas fases.
En el último apartado se recogen las modificaciones finales necesarias, las cuales no habían
sigo planificadas durante la planificación.
99
1. Introducción al proceso de fabricación
La fabricación se lleva a cabo íntegramente en el LERM (Laboratorio de elasticidad y
resistencia de materiales).
A continuación se detallan los pasos seguidos para la elaboración del prototipo, los cuales
han sido seguidos por miembros del equipo US-R con ayuda del personal de taller del LERM.
En líneas generales, se pueden establecer cuatro etapas:
Planificación de la fabricación, la cual hace que se aproveche mejor el material, permite
la fabricación correcta de la geometría diseñada previamente, evitando así errores en
las dimensiones o en las formas de las piezas a fabricar.
Esta etapa comprende tanto la planificación de la fabricación (diseño de útiles), como la
planificación y optimización del corte de las láminas, descrito todo ello en los apartados
2 y 3 del presente capítulo (III).
Fabricación en sí de las distintas piezas que componen el subchasis. Dicha etapa es
común para cualquier pieza que se pretenda fabricar con este material.
En el apartado 4 se particulariza la descripción de la fabricación de las piezas que
constituyen el subchasis diseñado, pero no es difícil extrapolar un procedimiento
general de fabricación a partir de dichas instrucciones.
Ensamblaje de las distintas piezas fabricadas. Etapa que comprende las uniones entre
las piezas y la preparación de la unión del subchasis con el chasis.
Esta etapa se desarrolla en el apartado 5.
100
Modificaciones finales. Esta fase es necesaria en el caso de tener que solventar algún
problema no considerado en el diseño o en el proceso de fabricación. No siempre es
posible resolver los problemas con modificaciones o ajustes, habrá casos en los que sea
necesario repetir la fase de diseño o de fabricación, considerando aquello que no se
haya tenido en cuenta. Pero siempre será más rápido y económico buscar soluciones
alternativas, siempre claro está que estas sean evaluadas y comprobadas antes de
aplicarse.
En el apartado 6 se detalla la modificación que tuvo que hacerse sobre el subchasis ya
terminado.
101
2. Planificación de la fabricación. Diseño de útiles
En la fase de diseño previa explicada en detalle a lo largo del capítulo II, ya se tiene en
cuenta cual va a ser el proceso de fabricación que se debe realizar después, por ello esta
planificación resulta muy sencilla de establecer. Al ser considerada en el diseño, se evitan
complicaciones, como la necesidad de diseñar útiles con formas complejas para la fase de curado
del material; o procesos de mecanizado posterior de zonas de difícil acceso dentro de la pieza.
En la planificación de la fabricación, se debe ser muy previsor, y siempre buscar la mejor y
más económica solución.
El diseño de subchasis de la motocicleta del equipo US-R Engineering se puede dividir en tres
piezas planas, dos laterales iguales y una superior con forma trapezoidal, cuya fabricación sería
muy sencilla. Pero se ha de tener en cuenta también, como se pueden unir dichas piezas. Si se
hiciesen las tres piezas planas, quedaría una superficie de contacto mínima, de ancho el espesor
del laminado, lo cual complica el método de unión. Antes de intentar calcular una posible unión
para dichas superficies de contacto, resulta mejor modificar la fabricación de la pieza superior, de
forma que aumentemos la superficie de contacto con las piezas laterales. Para ello sólo es
necesario crear un útil sobre el que laminar la pieza superior. La pieza superior consiste por tanto,
en la parte plana trapezoidal que se propuso inicialmente, junto a dos pestañas laterales que
proporcionan la mayor superficie para la unión con las piezas laterales.
El diseño del útil o molde necesario para la fabricación de la pieza superior del subchasis es
sencillo:
1. Se toman las medidas de la parte interior del subchasis diseñado.
2. A la distancia entre las piezas laterales se ha de descontar el espesor de la pieza superior, ya
que sino el espesor de las pestañas laterales haría aumentar la medida tomada del diseño.
3. En cuanto a la altura del útil, debe ser mayor a la longitud de las pestañas, para poder
laminar las mismas sobre él. La longitud necesaria para dichas pestañas es de 300 mm
102
Siguiendo las instrucciones anteriores, se tiene el diseño del útil necesario para la pieza
superior, de cuya fabricación se encarga la empresa TEAMS.
3. Planificación y optimización del corte de las láminas
En primer lugar, se deben cortar a partir de un rollo de pre-peg de fibra de carbono-epoxi
todas las láminas que se necesitan para componer los laminados de las distintas piezas del
subchasis. En la tabla 5 se recoge un resumen del total de láminas necesarias, indicando la
dirección de la fibra y sus dimensiones.
Las dimensiones de las láminas están sobredimensionadas para tener en cuenta las pérdidas
por posible fluidez de la matriz en los bordes. Para conseguir las dimensiones definitivas se
eliminará dicha sobredimensión mediante el corte con un disco de diamante.
Localización Ancho(mm) Largo(mm) Material Dirección de la fibra Cantidad
Barra A 50 390
Unidireccional 0 grados 8
Unidireccional 90 grados 4
Unidireccional 45 grados 4
Unidireccional -45 grados 4
Barra B 50 450
Unidireccional 0 grados 8
Unidireccional 90 grados 4
Unidireccional 45 grados 4
Unidireccional -45 grados 4
Barra C 60 380
Unidireccional 0 grados 8
Unidireccional 90 grados 4
Unidireccional 45 grados 4
Unidireccional -45 grados 4
Barra D 60 260
Unidireccional 0 grados 8
Unidireccional 90 grados 4
Unidireccional 45 grados 4
Unidireccional -45 grados 4
Parte
superior 140 230
Tejido 0 grados 8
Tejido 45 grados 4
Tabla 5 - Resumen de láminas necesarias para la fabricación del subchasis
103
Se asigna un color a cada localización para facilitar la explicación posterior de la distribución
del corte de lámina
Una vez definidas todas las láminas, las direcciones de la fibra y las dimensiones de éstas, se
ha de planificar el orden de corte de dichas láminas a partir del rollo de pre-peg de fibra de
carbono-epoxi, cuyo ancho es de 300 mm. Además, se necesita: una escuadra, un cartabón, una
regla y un lápiz de color que se vea al pintar sobre el pre-peg, para marcar las líneas de corte con
las medidas y direcciones necesarias para cada pieza a cortar; y un cúter para realizar dichos
cortes.
Si no se dispone de tiempo para cortar todas las láminas y realizar el apilado en una misma
sesión se deberán conservar las piezas cortadas, así como el rollo de material pre-peg en un
congelador hasta la siguiente sesión de corte y/o apilado.
1. Se comienza cortando las láminas con la fibra a 0°.
- Con la idea de optimizar el rollo de prepreg sin desperdiciar material, se deben disponer
las láminas de manera que se aproveche el ancho total del rollo. El ancho del rollo es de
300 mm y las piezas a cortar tienen anchos de 50 o 60 mm, por lo tanto caben 6 piezas
de 50 mm o 5 de las de 60 mm. Se debe procurar colocar las piezas de igual largo en
paralelo, de forma que se puedan obtener todas a partir de un único corte, sin
necesidad de hacer escalones. Es importante marcar todas y cada una de las piezas
cortadas, para identificar la dirección de la fibra y la zona del subchasis donde debe ir
apilada. Para obtener todas las láminas a 0° es necesaria una longitud del rollo de
prepreg de 2250 mm. En la figura 35 se detalla la distribución del corte.
Figura 35 - Distribución del corte de láminas a 0°
BB
AA
DDD
CC
CCCCCC
DDDDD
BBBBBB
AAAAAA
104
2. A continuación se deben cortar las capas con fibra a 90°.
- El ancho del rollo no permite obtener el largo de algunas de las láminas con fibra a 90°,
por ello dichas piezas se obtendrán empalmando láminas cuya suma dé el largo
necesario de la pieza. Se ha de intentar que las zonas de unión de las distintas capas no
coincidan, ya que en dicha parte existe una discontinuidad de la fibra, si coinciden las
discontinuidades de varias capas a la misma altura, se tiene una zona de menor
resistencia en el subchasis.
Se procede igual que en la distribución de las láminas a 0°, siguiendo la planificación
indicada en la figura36 Al igual que se ha comentado con las láminas de fibra a 0°, es
importante marcar todas las piezas cortadas. Para obtener todas las láminas a 90° es
necesaria una longitud del rollo de prepreg de 980 mm.
Figura 36 - Distribución del corte de láminas a 90°
La longitud total necesaria de rollo de prepreg de fibra de carbono-epoxi para el corte de las
láminas a 0° y a 90° es de 3,23 m.
Siguiendo la planificación indicada en las figuras 35 y 36 se consigue el menor desperdicio de
material posible. El área de prepreg desaprovechada es 0,42 dm2, está marcada con color negro la
figura 36. En relación al área utilizada (300mm x 3230 mm) supone un porcentaje del 0,4334%.
3. Se prosigue con el corte de las láminas a 45°. Para ello se traza una línea a 45° y se hacen
líneas paralelas a la distancia necesaria, según el ancho de las barras. Distribuir las láminas
aprovechando todo el material, como se ha mostrado para los cortes de las láminas a 0° y a
90°. En la figura37 se muestra la distribución del corte de láminas de 45°, donde sólo se
desaprovecharía el área en color negro (7,8 cm2) y se consumiría una longitud de rollo de
prepreg de 1089 mm, de donde el área de los extremos (6,865 dm2) es aprovechable para las
láminas de -45°.
C C C C A
B
AB
ACCCCB A A AC C
D D D DB B B C C A
A
A
B
B
B
A
105
Figura 37 - Distribución de láminas de 45°
4. Tras el corte de la última lámina de 45°, se realiza una perpendicular al corte dejado,
consiguiendo así la dirección de -45°. Proceder de igual modo que en el paso 3. La longitud
necesaria se calcula en base al área empleada para las láminas de 45° (A45°) y el área
aprovechable para las láminas de -45°, calculada en el paso anterior (6,965 dm2).
(III.1)
La longitud necesaria del rollo será por tanto, el valor de esa área calculada en la expresión
(III.1) dividido entre el ancho del rollo (300 mm):
(III.2)
En total, para la fabricación de los dos laterales del subchasis es necesaria un área de
prepreg de fibra de carbono-epoxi con la fibra en una dirección de 2,97 m2, cuyo valor se
obtiene a partir del cálculo (III.3).
(III.3)
En la ecuación (III.3) se multiplica por el ancho del rollo la suma de las longitudes
calculadas para el corte de todas las láminas.
5. Por último, cortar las láminas de tejido para la parte superior siguiendo la misma filosofía
que en el corte de las láminas anteriores.
La cantidad de tejido necesaria es de 38,64 dm2.
106
4. Descripción de la fabricación de la pieza
Una vez se tienen cortadas a partir del rollo de pre-peg de fibra de carbono-epoxi todas las
láminas que se necesitan para componer las piezas del subchasis, se puede proceder al apilado de
las mismas.
Es importante ser muy ordenado y limpio durante todo el proceso de apilado, para así evitar
cometer algún error en el orden de apilado de las capas con distinta dirección de la fibra, e
incorporar partículas al laminado, las cuales generen desperfectos en el mismo. Por ello mismo las
tareas de corte y apilado han de realizarse en una sala con atmósfera controlada.
Para la realización de esta tarea es necesario: una pala de teflón para presionar las láminas y
evitar que queden burbujas de aire entre ellas; un plano con las direcciones de las barras (en el
caso de las piezas laterales del subchasis); y el útil descrito en el apartado 2 para la pieza superior
del subchasis. Si se dispone de estos tres elementos y de las láminas del apartado 3 cortadas, se
puede comenzar con la siguiente secuencia de instrucciones para la realización de un correcto
apilado.
4.1. Apilado de las piezas laterales del subchasis
1. Fijar el plano o esquema de la pieza lateral del subchasis a una superficie lisa y con las
dimensiones necesarias.
2. Colocar la primera lámina de cada una de las barras que constituyen la pieza lateral,
siguiendo las direcciones de las barras indicadas en el plano.
NOTA: Siempre se seguirá el mismo orden en cuanto a las barras (por ejemplo, A-B-D-
C), para que en las intersecciones de dichas barras o nudos siempre se tenga la misma
secuencia de apilado y de este modo el laminado de esas zonas de intersección siga
siendo simétrico.
3. Repetir el paso 2 con el resto de capas del laminado, presionando con la pala de teflón
para que no queden burbujas de aire atrapadas entre las diferentes láminas.
107
En la figura 38 se puede observar una imagen tomada durante el proceso de apilado
seguido para la construcción de los laterales del subchasis.
Figura 38 - Proceso de apilado de una pieza lateral del subchasis
4. Una vez se ha completado el proceso de laminado, se retira la pieza del plano utilizado
como referencia de las inclinaciones y de los puntos de intersección de las barras, y se
le da la vuelta a la pieza, para de este modo poder pegar en la parte lisa una capa de
tejido pelable.
5. Adherir la capa de tejido pelable, para evitar tener que lijar esta cara de la pieza
previamente al pegado con la pieza superior del subchasis. En lugar de lijar, tan solo
será necesario despegar la capa de tejido pelable tras el proceso de curado, de esta
forma ya se obtiene una superficie que puede ser pegada.
108
4.2. Apilado de la pieza superior del subchasis
1. Forrar el útil con teflón, teniendo cuidado de que no queden arrugas y procurando que
la cinta adhesiva utilizada para fijar dicho teflón no caiga en las zonas del útil sobre las
que se va a laminar, para así evitar marcas en la futura pieza.
2. Con el útil forrado, ya es posible laminar sobre él. Colocar las láminas una a una, de
forma ordenada y presionando para extraer el aire atrapado entre ellas y para que las
láminas adopten la forma del útil o molde.
4.3. Curado del material
1. Una vez finalizado el apilado de las tres piezas que constituyen el subchasis, se
construyen bolsas de vacío utilizando teflón y válvulas de vacío.
a) Para piezas planas, como son las piezas laterales del subchasis:
- Se utiliza una placa metálica plana con el área necesaria según la pieza a modo
de molde. En concreto se emplea una placa de 600mm por 1200 mm para crear
la bolsa de vacío para las dos piezas laterales juntas.
- Colocar una capa de teflón debajo de las piezas de material compuesto que se
quieren curar.
- Alrededor de todo el contorno de las piezas de material compuesto, pegar unas
tiras de corcho, que controlan el esparcimiento de la resina durante el proceso
de curación.
- Extender sobre las piezas a curar una manta de tejido aireador (Airware®), el
cual hace que se distribuya correctamente por toda la pieza la presión que se
aplica en el proceso de curación.
- Situar la parte de las válvulas de vacío que debe quedar en la parte interna de la
bolsa.
- Cerrar la bolsa, fijando la capa de teflón con la que se crea la bolsa por encima
de la plancha metálica, y dejando en su interior las capas y elementos
mencionados en los pasos previos.
109
- Una vez cerrada la bolsa, colocar las válvulas de vacío, haciendo un orificio en el
lugar donde se han debido colocar las piezas de las válvulas de vacío internas a
la bolsa.
- Hacer vacío. Dejar la bolsa unas horas y comprobar que el vacío se mantiene.
En caso de no ser así, existen fugas. Revisar la bolsa en busca de dichas fugas
hasta que se consiga un correcto vacío.
b) Para piezas con forma cualquiera:
- El procedimiento para la creación de la bolsa de vacío es similar al detallado
para piezas planas, con la excepción de que la bolsa de vacío no se fija al propio
molde como en el caso de la placa plana.
2. Dichas bolsas se introducen en una autoclave, la cual podemos apreciar en la figura 39.
Se conectan las válvulas de vacío y se cierra.
3. La autoclave aplicará el ciclo de curado de la fibra de carbono que se observa en la
figura 40, en la cual se representan los distintos parámetros del ciclo de curado
aplicado por la autoclave. Como se puede observar en el gráfico dicho ciclo de curado
tiene una duración de 6 horas. Durante la primera hora, la temperatura sube
linealmente, hasta alcanzar la temperatura máxima de 180 °C. Esta temperatura
máxima se mantiene durante 4 horas, y a partir de ahí comienza la rampa de bajada o
enfriamiento. En cuanto a la presión máxima alcanzada es de 6 bar, ésta se alcanza
también aproximadamente a la hora de comienzo del ciclo, y se mantiene hasta que se
baja a la temperatura de 80 °C, aproximadamente 15 minutos antes de la finalización
del ciclo.
4. Finalizado el ciclo de curado, abrir la autoclave y extraer las bolsas de vacío con las
piezas de material compuesto.
5. Abrir dichas bolsas de vacío y retirar las piezas ya curadas.
110
Figura 39 - Autoclave del laboratorio de elasticidad y resistencia de materiales
111
Figura 40 - Parámetros del ciclo de curado aplicado
4.4. Recanteo de las piezas fabricadas
Una vez se obtienen ya las piezas tras el ciclo de curado aplicado, tan sólo falta
recantear dichas piezas, para ello:
- retirar el corcho que sirve para retener la resina durante el proceso de curado.
112
- cortar las zonas sobrantes, dando las dimensiones correctas de diseño de las
piezas. Para ello se emplea un disco de diamante refrigerado por agua.
Dichas piezas antes de ser recantedas, se pueden observar en las figuras 41 y 42 que se
muestran a continuación:
Figura 41 - Pieza lateral antes de ser recanteada
113
Figura 42 - Pieza superior sobre su molde antes de ser recanteada
114
5. Montaje y ajustes necesarios
En ésta sección se detallan las herramientas, útiles y consumibles empleados, así como los
pasos seguidos para conseguir una correcta unión de las piezas laterales con la pieza superior del
subchasis.
En cuanto a las herramientas, útiles y consumibles necesarios, procedemos a enumerarlos
siguiendo el orden en el que serán utilizados:
- En el caso de no haber incluido la capa de tejido pelable en el proceso de apilado, sería
necesario un papel de lija de grano grueso, para obtener una superficie rugosa sobre la que
aplicar el adhesivo.
- Adhesivo Hysol® EA 9394.
- Balanza de precisión.
- Recipiente para mezclar las dos fases del adhesivo.
- Paleta pequeña para aplicar el adhesivo.
- Horno que alcance los 100 °C para aplicar el ciclo de curado al adhesivo. No es
imprescindible, ya que el adhesivo también puede curar a temperatura ambiente.
- Pinzas de fijación para sujetar la unión mientras se cura el adhesivo.
- Teflón para proteger el entorno de restos de adhesivo.
- Trompo y escariadores de diferentes tamaños para realizar los orificios en los que se
introducirán los remaches.
- Remaches roscados H-lite®.
Una vez se tienen todos los elementos requeridos que se acaban de enumerar, se puede
comenzar el montaje del subchasis.
A continuación se describen tarea a tarea los pasos a seguir para conseguir dicho conjunto.
1. Acondicionamiento de las zonas a pegar con ayuda de una lija de grano grueso.
115
Este paso no fue necesario en la fabricación del subchasis, ya que se optó por incluir una
lámina de tejido pelable en la fase de curado del material compuesto. Por tanto la zona ya
está adecuada para la aplicación del adhesivo.
2. Mezclar las dos partes que constituyen el adhesivo en un recipiente, siguiendo las
instrucciones del fabricante (anexo 4). Para conseguir la proporción adecuada que indique el
fabricante se hace uso de una balanza de precisión.
3. Una vez la mezcla de los dos componentes del adhesivo es homogénea, aplicarla a las zonas
a unir, como se observa en las figuras 43 y 44. Proteger el entorno que utilicemos para llevar
a cabo esta tarea con teflón para evitar restos de adhesivo.
Figura 43 - Aplicación del adhesivo sobre la pieza superior
116
Figura 44 - Aplicación de adhesivo sobre las piezas laterales
4. Poner en contacto ambas superficies y sujetar la unión con unas pinzas protegidas por teflón
para que dichas pinzas no se queden pegadas tampoco a la estructura. En la figura 45 se
muestra cómo se realizó dicha tarea.
Figura 45 - Montaje de las piezas laterales con la pieza superior
117
5. Dejar el conjunto sobre una superficie lisa durante media hora, en la misma posición en la
que se introducirá en el horno para el proceso de curado del adhesivo. Comprobar si se
mantiene la unión tal y como se ha dejado, ya que es posible que las pinzas, o el propio peso
de las piezas generen tensiones que provoquen desplazamientos relativos entre las piezas.
- Si se producen movimientos, estudiar otra posición, o un soporte para evitar la variación
de la unión y conseguir una correcta posición de las piezas durante el proceso de curado.
6. Una vez verificada la permanencia de la posición relativa de las piezas, introducir el conjunto
en un horno durante una hora a una temperatura mayor a 93°C. Si no se dispone de horno,
el adhesivo también puede curar a temperatura ambiente durante un periodo de 24 horas.
En la figura 46 se puede observar la disposición del subchasis en el horno.
NOTA: Estas indicaciones son particulares de este adhesivo, si se utilizase otro, seguir las
indicaciones del fabricante.
Figura 46 - Disposición del subchasis en el horno utilizado para curar el adhesivo
118
7. En este momento del proceso de fabricación, el diseño de otro elemento de la motocicleta
(el tubo de escape) hace que se requiera incluir unas barras suplementarias para obtener
dos puntos de fijación para el soporte de dicho escape. Cómo aún no se ha procedido a la
colocación de los remaches, es posible pegar dichas barras en la parte interior trasera de la
pieza superior del subchasis.
- Las barras son también de material compuesto, por cuestiones de tiempo y gracias a la
existencia de un panel ya fabricado de otro proyecto del departamento, el cual no era útil
para dicho proyecto, en lugar de diseñar las barras en base a las condiciones, se
aprovecha el panel mencionado para la obtención de dichas barras. Como dichas barras
no soportarán carga, no es necesaria ninguna comprobación desde el punto de vista de
tensiones.
- Para la unión de dichas barras se ha de seguir el mismo procedimiento explicado a lo
largo de los pasos previos (1, 2, 3, 4, 5 y 6) para las uniones de las piezas laterales con la
pieza superior.
8. Con la unión mediante adhesivo las uniones ya serían resistentes, pero para reforzar dicha
unión, se colocan tres remaches a cada lado, cuyos criterios seguidos para su disposición se
enumeran a continuación tras explicar cómo se han de colocar los remaches.
- Para introducir dichos remaches se han de realizar previamente unos taladros mediante
unos escariadores del diámetro que se ajusta a cada remache.
- Una vez realizados los orificios, colocar los remaches con ayuda de la llave HALLEN y la
llave plana de la métrica correspondiente a cada remache. Dicha colocación puede verse
en la figura 47.
119
Figura 47 - Colocación de remache
120
Debido a que los remaches son simplemente de refuerzo, ya que el adhesivo por si
sólo podría soportar la unión, no es necesario un cálculo exhaustivo de los mismos.
Simplemente se respetarán los siguientes criterios de disposición de remaches procedentes
del libro Uniones en estructuras aeronáuticas. Uniones adhesivas y remachadas, de A.
Barroso y J. Cañas [16].
- La relación entre el diámetro del orificio y el espesor que atraviesa debe estar
comprendido entre 0,25 y 0,33.
- La separación entre remaches (entre los centros de los taladros correspondientes)
está entre 3 y 4 veces el diámetro de los taladros.
En la figura 48 se puede ver la disposición de los remaches.
Figura 48 - Disposición de los remaches en la unión de las piezas laterales con la superior
9. De la misma forma que se describe en el apartado 5, realizar los taladros necesarios para la
unión del subchasis al chasis, para la sujeción del escape y para la cogida del depósito al
121
subchasis. Pero en este caso no se introducen remaches permanentes, sino que se dejan los
orificios para la introducción de uniones desmontables.
Siguiendo la secuencia de instrucciones anterior, se consigue el correcto montaje del
subchasis, así como la preparación de la futura unión desmontable con el resto de elementos del
prototipo.
En la figura 49 se puede observar el resultado tras la realización de la secuencia de tareas
explicadas a lo largo de todo este capítulo.
Figura 49 - Resultado final del subchasis
122
6. Modificaciones finales
En esta sección se describe la modificación sufrida por el subchasis junto a sus causas y
justificaciones.
La modificación consiste en la Adicción de placa superior que dé una mayor anchura a la
estructura para la mejora de la unión del colín del carenado
6.1. Placa superior para la mejora de la unión del colín del carenado
Esta modificación surge en el propio circuito de Motorland, tras las pruebas de pilotos.
Una vez los dos pilotos de la organización prueban en pista el prototipo de la motocicleta de
nuestro equipo, US-Racing Engineering, se reúnen con el propio equipo para transmitir las
sensaciones transmitidas por la motocicleta durante su conducción en el circuito.
El origen de la modificación que se plasma en esta sección, es el hecho de que el piloto
en las curvas, al inclinar la moto, tiende a apoyarse lateralmente en el subchasis, y en este
momento, como el colín del carenado está unido al subchasis simplemente por su parte
central, no encuentra la rigidez propia del subchasis.
Para solucionar el problema se piensa que la mejor opción sería que las zonas laterales
del colín en las que se apoya el piloto en curvas estuviesen unidas al subchasis. Debido al
diseño del mismo, no existe forma de unir dichos puntos al subchasis directamente, ya que
el ancho de la estructura es menor que el del colín. La solución improvisada que se adopta es
añadir una placa en la parte superior del subchasis, cuyo ancho alcance los puntos que se
quieren fijar al subchasis de las zonas laterales del colín.
Para la obtención de esta placa se dispone de un panel de fibra de carbono el cual se
ha fabricado para posibles piezas auxiliares que hiciesen falta.
En la figura 50 se observan las dimensiones de la placa y los orificios que se le realizan
a la misma para la cogida con el propio subchasis y con el colín. La unión de la placa con el
123
subchasis se hará fija mediante el uso de remaches, y la del colín con la placa será
desmontable.
10m
m87,5mm
45mm
10m
m
10mm
35m
m
Figura 50 - Placa suplementaria para la cogida del colín
1. Corte de la placa a añadir:
- Marcar las dimensiones de la placa en el panel de fibra de carbono.
- Con un disco de diamante proceder al corte del panel por las líneas marcadas.
2. Realización de orificios como se describe en el paso 8 del montaje desarrollado en el
apartado 5. La localización de dichos orificios respeta los criterios establecidos para la
ubicación de los agujeros, también mencionados en el paso 8 del apartado 5.
3. Fijación de la placa en el subchasis.
Aquí concluye la etapa de fabricación, en la cual se ha pretendido recoger al detalle paso a
paso el trabajo realizado comenzando por la planificación, continuando con la fabricación y
montaje realizados en el taller del laboratorio de elasticidad y resistencia de materiales (LERM), y
finalizando con el trabajo de última hora realizado in situ en el taller improvisado en el circuito de
Motorland.
.
Orificios cogida del colín
Orificios cogida
al subchasis
124
CAPÍTULO IV: CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS
EL último capítulo, Capítulo IV, está dedicado a la conclusión del proyecto y al
establecimiento de posibles desarrollos futuros.
En la conclusión se valoran los resultados del trabajo realizado, haciendo mensión a las
distintas fases del proyecto. Se finaliza con una reflexión sobre los valores añadidos del proyecto
por el hecho de formar parte de un proyecto conjunto.
En el apartado de desarrollos futuros se describen brevemente las ideas surgidas a raíz del
trabajo realizado. Se hace referencia al posible empleo de diferentes tecnologías de fabricación, al
uso de distintos materiales y al análisis de las fuerzas soportadas por la estructura en diferentes
circunstancias.
125
1. Conclusiones
En esta sección se realiza una reflexión sobre el trabajo realizado para llevar a cabo el
diseño, cálculo y fabricación de un subchasis en material compuesto. Así como una valoración de
los resultados obtenidos con dicho trabajo.
En primer lugar, comenzar valorando los resultados obtenidos con todo el trabajo descrito a
lo largo de los tres capítulos anteriores.
En líneas generales, el resultado es satisfactorio, debido a que se han cumplido todos los
requisitos, tantos los descritos en el apartado 6 del Capítulo I, los cuales eran necesarios, como los
descritos en el apartado 1 del Capítulo II, estos últimos deseables.
Se ha conseguido obtener el subchasis de la idea de partida, algo parecido a los fabricados
en metal existentes en el mercado.
El peso del subchasis completo, incluyendo la placa de cogida del colín, es de 0,870 kg. Lo
cual nos lleva a concluir que se ha reducido el peso con respecto al subchasis del equipo de la
Universidad de Sevilla de la edición anterior en un 60%, ya que el peso del subchasis anterior fue
2,12 kg [10].
En cuanto a las modificaciones finales realizadas, resolvieron de forma rápida y eficaz el
problema que había surgido ante las cogidas del colín del carenado. En cuanto al problema en sí,
debería haber sido previsto al igual que se consideraron las cogidas al chasis o las cogidas del tubo
de escape de gases de la motocicleta.
Por último, me gustaría hacer un balance de las experiencias vividas a lo largo de la
realización de este trabajo, lo cual incluye también la competición universitaria Motostudent.
La participación en la segunda edición de la competición Motostudent ha sido una
experiencia positiva en muchos aspectos, a los cuales nos vamos a referir a continuación.
126
En primer lugar, destacar la oportunidad de experimentar lo que es un trabajo en equipo,
donde los distintos miembros trabajan de forma coordinada, con una comunicación activa, para
conseguir un objetivo conjunto. Desde la primera etapa del proyecto consistente en la búsqueda
de patrocinio, se muestra una gran organización a la hora de repartir las tareas y así lograr ampliar
el abanico de proveedores y patrocinadores. Se establecen reuniones semanales para controlar la
evolución de las negociaciones y los resultados de la búsqueda de patrocinio. Era necesaria una
gran cantidad de patrocinadores, ya que las aportaciones de estos se han visto reducidas respecto
a la edición anterior. Esta disminución en la cantidad de las aportaciones se debe a los motivos
económicos en los que se encuentran muchas de las empresas españolas en este momento.
También en la fase de diseño, es necesario trabajar en equipo. Para ello se crean distintos
grupos de trabajo y al igual que cuando se buscaban recursos para financiar el proyecto, se fijan
reuniones de seguimiento y puesta en común.
En la etapa de fabricación y montaje de la moto, es cuando mejor se demuestra la capacidad
de trabajo en equipo que ha sido adquirida por todos los miembros del equipo. En esta fase las
reuniones eran diarias debido a la cantidad de tareas que se llevaban entre manos y la urgencia de
las mismas.
Una vez en el circuito no se dejó de trabajar: realizando modificaciones y mejoras de última
hora a partir de las sensaciones que los pilotos nos describían, como la descrita en el apartado 6
del Capítulo III.
En la figura 51 se observa a algunos miembros del equipo fijando el depósito de la
motocicleta al subchasis en el box asignado en el circuito de Motorland.
127
Figura 51 - Montaje de la moto en Motorland
Todo este trabajo en equipo que se acaba de describir se piensa que da un valor añadido al
proyecto, ya que acerca a los componentes del equipo a la realidad que se da en el mundo laboral.
El hecho de poder participar en un proyecto de inicio a fin, pasando por las distintas fases
que se han descrito anteriormente, viendo cómo a partir de las ideas de los individuos del equipo,
se ha creado una moto, capaz no sólo de funcionar, sino de competir con otras motos, hechas
también por alumnos de otras universidades es muy gratificante.
La presión de las fechas estipuladas por la competición, las cuales hicieron trabajar duro
para que finalmente el proyecto saliese adelante. Y junto a ello, resaltar la emoción de lograr
aquellos objetivos que en algunos momentos parecían inalcanzables.
En resumen, este trabajo es una pequeña parte de un proyecto mucho mayor, que ayudó en
su evolución académica a más de una decena de estudiantes de ingeniería. Ha enseñado a trabajar
en equipo, a trabajar bajo presión, a cumplir plazos de entrega, a tratar con proveedores, a saber
vender un proyecto para así conseguir financiarlo, a realizar trabajos técnicos como la fabricación
128
con materiales compuestos o el montaje de la moto, etc. En definitiva, en este proyecto se refleja
tan sólo una pequeña parte del conocimiento y la experiencia adquirida.
En la figura 52 se puede apreciar una fotografía de todo el equipo con el conjunto de la
motocicleta terminado.
Figura 52 - Motocicleta finalizada
129
2. Desarrollos futuros
Se plantean ahora aquellos proyectos que podrían realizarse tomando al presente proyecto
como base de partida.
Sería muy interesante conseguir los medios necesarios para fabricar tubos huecos con
material compuesto. De esta forma sería posible realizar un nuevo diseño con una geometría
similar a la del subchasis fabricado en el Capítulo III empleando tubos huecos en lugar de barras
planas.
También se cree que se podría optimizar el diseño creado, eliminando algunas de las capas
de fibra del laminado. Para ello quizás sería necesario aumentar la inercia de las barras laterales
del subchasis, evitando de esta forma el posible fallo por pandeo. Esto se podría conseguir
mediante la inclusión en el laminado de materiales como núcleo Honeycomb. En la figura 53 se
muestra el material sándwich que se constituiría.
Figura 53 - Material sándwich
Si alguno de estos dos desarrollos futuros se llevara a la práctica, estaría bien realizar una
comparativa con el subchasis diseñado en este proyecto. Para ello, se debería ver la relación entre
el peso del subchasis en cada caso y la carga máxima que cada uno es capaz de soportar.
130
Desde el punto de vista de hipótesis de carga, se podría implementar un sistema de
acelerómetros en distintos puntos del subchasis fabricado. Con ellos se podría comprobar que la
hipótesis de carga es correcta, así como establecer nuevas hipótesis de carga en función de la
información recogida por los acelerómetros para distintos casos.
131
BIBLIOGRAFÍA
[1] Título: MECÁNICA DE LA MOTOCICLETA
Autores: William H. Crouse y Donald L. Anglin
Traducido por: Ramón Pallisa Munts y Luis Ibáñez Morlán
[2] Título: LA MOTOCICLETA
Ministerio del Interior. Dirección General de Tráfico. Área de Educación y Divulgación
Dirigido por: Perfecto Sánchez Pérez y Nerelda Iglesias Villar
Colaboradores: Antonio Sánchez Sainz, Ramón Álvarez Muñoz y Mª Ángeles Díaz Serrano.
[3] Título: MOTOCICLETAS. COMPORTAMIENTO DINÁMICO Y DISEÑO DEL CHASIS. EL ARTE Y LA
CIENCIA. Año 2002
Autor: Tony Foale
Traducido por David Sánchez
[4] Título: MOTOCICLETAS. 32ª Edición
Autor: Manuel Arias-Paz Gutian.
[5] La página web www.motosonline.net/
[6] La página web www.ktm.com
[7] La página web www.gsxr.es
[8] La página web www.honda-montesa.es
[9] La página web www.bimota.it
[10] Proyecto final de carrera: DISEÑO, CÁLCULO, PRUEBAS DE FABRICACIÓN Y FABRICACIÓN DE UN
SUBCHASIS EN MATERIAL COMPUESTO PARA UNA MOTOCICLETA DE COMPETICIÓN EN CIRCUITO
DE VELOCIDAD
Autor: Justo Márquez Linares
132
[11] Título: INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS Y DISEÑO CON MATERIALES COMPUESTOS
Autores: Federico París, José Cañas, Juan Carlos Marín y Antonio Barroso.
[12] Formulario de matrices de rigidez para barras de nudos rígidos o articulados
Asignatura: Resistencia de los materiales (Ingeniería Industrial, Universidad de Sevilla)
[13] Proyecto final de carrera: DISEÑO Y ANÁLISIS DE UN BASCULANTE PARA UNA MOTOCICLETA DE
COMPETICIÓN
Autor: Daniel González Reina
[14] Título: Introducción al programa ANSYS
Autor: Francisco José Suarez Domínguez
[15] Theory Reference for the Mechanical APDL and Mechanical Applications
Software: ANSYS
[16] Título: UNIONES EN ESTRUCTURAS AERONÁUTICAS UNIONES ADHESIVA Y REMACHADAS
Autores: Antonio Barroso y José Cañas.
133
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ANEXOS
Anexo 1 Reglamento Técnico Motostudent 2012
Anexo 2 Reglamento Deportivo Motostudent 2012
Anexo 3 Elemento tipo Shell 181 de ANSYS
Anexo 4 Instrucciones del fabricante del adhesivo Hysol® EA 9393/C-2
