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Copy of Copy of FORMULA STUDENT: Team 1

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David Mejia

on 7 February 2015

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Diseño de manguetas delanteras y posteriores de un vehículo monoplaza para la competición en la formula SAE
Sistema de Suspensión F-SAE
Sistema de dirección F-SAE.
Introducción:
Proceso genérico de desarrollo de nuevos productos
Aros y neumáticos F-SAE
CAPÍTULO I:
Fundamentos teóricos F-SAE:
-Suspensión
-Dirección
-Frenos
CAPITULO II:
Diseño:
-
Metodología de diseño
CAPÍTULO III:
Análisis y Manufactura:

Estado del arte:

Tamaño:
8-13 pulgadas (in) de diámetro.

Tipos
-Pista seca "slicks"
-Pista mojada "wets"

Ajustabilidad del ángulo de caída
Adaptación de la mangueta delantera a la geometría de la suspensión del vehículo F-SAE
Conclusion
Primary design elements finished
Costing and referencing accomplished
Progress is on schedule

BS8888 drawings are being prepared
Procurement, building and assembly

Testing

Silverstone July 2014
Reglamento F-SAE:
Sistema de suspensión totalmente operativo
-25,4 mm de bote
-25,4 mm de rebote
(con el conductor sentado)
Geometría de la suspensión
Sis. Suspensión
Sis. Frenos.
Sis. Dirección.
Pasado, Presente y Futuro:
Para dar solución al diseño de las manguetas delanteras y posteriores de un vehículo de competencia F-SAE, a continuación se fundamenta teóricamente los sistemas de suspensión, dirección y frenos.
Vista Frontal
Vista Lateral
La geometría de la suspensión está definida por los siguientes parámetros: camber, caster, kingpin angle y scrub radius.
Manguetas F-SAE
Un vehículo F-SAE está provisto de una suspensión tipo independiente de doble horquilla.
Que consta de:
Brazos de suspensión en forma de horquilla triangular
Mangueta.
Mulle/amortiguador
Sistema de suspensión independiente permite:
Controlar el movimiento de las ruedas a lo largo del recorrido de la suspensión
Control de parámetros como: ángulo de caída, ángulo de avance, ángulo de inclinación de dirección y radio de pivote.
Resultado:
Mejorar el comportamiento del neumático y las prestaciones del vehículo.
Tipos de suspensión independiente:
- Push rod: Utiliza una barra de empuje en compresión
- Pull rod: Utiliza una barra de empuje en tracción
Las manguetas F-SAE son los elementos que sirven de vínculo entre la suspensión y la dirección con las ruedas
Albergan:
Rodamiento.
Centro de rueda.
Mordaza.
Rotulas superior e inferior.
Varillaje de la dirección
Funciones de la mangueta F-SAE
Proporcionar una ubicación para el cojinete de la rueda.
Resistir las fuerzas de rotación alrededor de su eje, que surgen desde la superficie de contacto del neumático, causados por tracción y frenado.
Soportar los momentos de flexión cuando el vehículo toma una curva.
Resistir fuerzas alineantes que provoca la geometría de la suspensión.
Resistir fuerzas de torsión causada por el momento de frenado, y proporcionar un lugar para el montaje de la mordaza de freno.
Ser rígida para soportar torsión en dirección vertical y para transmitir con precisión la dirección de las ruedas y las reacciones de la dirección.
Ser lo suficientemente robusta para resistir los daños por contactos menores con objetos en pista, tales como bordillos, desniveles, etc.
Por último, tiene que encajar dentro del aro.
Centro de rueda
El propósito del centro de rueda es proporcionar un punto fijo de rotación para el aro y el disco de freno
Configuración:
Materiales
En el mercado automotriz existen centros de ruedas de diferentes materiales, estos son de alta resistencia de manera que se pueden aplicar en un vehículo F-SAE, por ejemplo centro de rueda del vehículo VW POLO ó HYUNDAY ELANTRA
- Estabilidad.
- Retroalimentación del conductor.
- Rendimiento del vehículo lateral y longitudinal.

- Soportar las cargas del vehículo.
- Transmitir fuerza longitudinal para acelerar y frenar.
- Transmitir fuerzas laterales en curvas.

Características:
Funciones:
Los aros comúnmente utilizados en la competencia F-SAE son:
- Aro de 13 pulgadas.
- Aro de 10 pulgadas.
Terminología del neumático y aro
- Los aros de
13 pulgadas
proporcionan un mayor espacio donde se pueden empaquetar las manguetas, recomendados para equipos de primer año en la competencia F-SAE.
- La desventaja es su alto peso por su tamaño.

- Los aros de
10 pulgadas
tienen la ventaja de ser ligeros ya que reducen su tamaño.
- Desventaja el espacio interior menor, esto podrían ocasionar problemas de funcionamiento y de diseño.

Ventajas y Desventajas:
Características y Medidas:
- Los aros están hechos de dos piezas: una parte central y el aro.

- Son ultra ligeros para vehículos no mayores a 650 Kg.

- El peso de cada aro es de 3 kg aproximadamente.

Reglamento
- El volante debe estar conectado mecánicamente a las ruedas.
- El sistema de dirección debe tener topes para evitar que el mecanismo se bloquee.
- Los topes pueden estar ubicados en las manguetas o en el mecanismo de dirección (cremallera).
- Juego libre del sistema de dirección de siete grados (7°) en total, medido en el volante.

El sistema de dirección tiene la misión de orientar las ruedas directrices, de forma que el vehículo pueda ser maniobrado dentro de la pista.
- Suavidad y precisión.
- Irreversibilidad.
- Estabilidad.

Características
Sistema de Frenos F-SAE
El sistema de frenos de un vehículo nos permitirá volver al estado de reposo de una manera segura y controlada.
Reglamento
- Sistema de frenos que actué sobre las cuatro ruedas
- Operado sólo con un control.
- Dos circuitos hidráulicos independientes
Descripción sistema de frenos F-SAE
- Se utiliza un sistema de frenos de discos.
- El disco de freno se acopla con el centro de rueda y gira solidario con el neumático.
- La mordaza está sujeta de forma tangencial al disco de freno, que gira libremente sin generar roce.
Las ventajas son:

- Eficiencia en la disipación de calor generado al frenar.
- De fácil calibración y mantenimiento por la accesibilidad de los componentes.

Discos de freno para F-SAE
- Existen dos tipos de disco de frenos, ranurados y perforados.
Clasificación:
- Disco fijo o disco flotante.
Mordaza de freno
Alberga:
- Las pastillas de freno
- Los pistones
Clasificación:
Características:
- De montante fijo
- Dos pistones de 31.75 mm de diámetro,
- Peso: 0.8 kg.
Se puede utilizar con discos de freno de 203 mm y 278 mm de diámetro exterior.
CONTENIDO:
CAPÍTULO I:
CAPÍTULO II:
La identificación de las necesidades, tiene como objetivo reconocer y entender los atributos de un potencial producto o elemento mecánico deseado.
Objetivo:
“U.P.S. RACING TEAM”
CONSIDERAR:
(The Institution of Mechanical Engineers “IMechE”) proporciona un reglamento para la competencia F-SAE UK.
NECESIDAD:
"Diseñar cuatro manguetas; dos delanteras y dos traseras, que se ajusten a los requerimientos y condiciones específicas del elemento ”.
Objetivo:
Conocer mas acerca del problema
Las manguetas son los elementos encargados de conectar las ruedas con la suspensión, e interactuar con elementos de otros sistemas.
Definición:
Las manguetas deben cumplir con un equilibrio entre peso-resistencia, fácil fabricación y de bajo costo, que garanticen el correcto funcionamiento, evitando fallas con los elementos auxiliares que con las que interactúa.
En el diseño se debe tomar en cuenta las siguientes consideraciones:
Interacción con los sistemas:
-
Brazos de control superior e inferior de la suspensión:

- Mordazas de freno:
Adaptabilidad:
- El ángulo de caída (Camber):
- Brazos de dirección:
- Centro de rueda y rodamiento:
Características físicas:
Material:

Las manguetas están fabricadas de aceros de alta resistencia (SAE 4130, ASSAB 705), aluminios (7075), chapa de acero (SAE 4130), etc.
Especificaciones objetivo
Una vez realizada la investigación preliminar se indica los requerimientos de diseño de las manguetas delanteras y traseras.
Manguetas delanteras:
- Transmitir las maniobras del piloto mediante los brazos de dirección a las ruedas.
- Definir los puntos de sujeción de las manguetas a los brazos de suspensión (geometría de la suspensión).
- Resistir las fuerzas alineantes que provoca la geometría de la suspensión.
- Soportar los momentos de flexión cuando el vehículo toma una curva.
- Ubicar la mordaza de freno en un punto fijo.
- Resistir fuerzas de torsión que actúan alrededor del eje de rotación de la rueda causada por el frenado
- Proporcionar una ubicación estable para el cojinete de la rueda.

Manguetas posteriores:
- Proporcionar tres puntos de sujeción fija en las manguetas traseras con los brazos de suspensión, considerando que las ruedas posteriores no generan dirección.
Diseño de la suspensión delantera
Diseño de la suspensión trasera
Después de mostrar la geometría de la suspensión delantera y trasera, se destaca las siguientes medidas:
- Diámetro interior del aro: 150 mm x 100 mm de ancho. Véase figura 1.16.
- Altura de la mangueta: 210 mm.
- Inclinación de camber estático: (-) 5°.
- Ángulo de avance: 10°.

Especificaciones objetivo:
Dan una descripción en detalle de lo que el elemento tiene que hacer. Se entiende como la traducción de las necesidades en términos técnicos y planteados en forma de objetivos.
Matriz necesidades-métricas:

Es ideal que cada necesidad corresponda a una métrica, pero en la práctica varias métricas pueden ser necesarias para reflejar por completo las necesidades del producto.
Generación y evaluación de conceptos de solución:

Para obtener los diferentes conceptos de solución que satisfagan las necesidades del elemento mecánico, se utilizarán los requerimientos que se obtuvieron mediante la investigación preliminar y la tabla de especificaciones de desempeño.

Los soportes de los brazos de suspensión deben adaptarse a las características de una suspensión independiente de tipo “push rod” y mantener unidos los brazos de suspensión a la mangueta permitiendo un control del ángulo de caída.
La solución más adecuada para los soportes y unión de los brazos de suspensión, es utilizar el concepto A, que tiene las siguientes características:
- El diseño permite el vínculo apropiado entre la mangueta y el brazo de suspensión.
- La unión es mediante pernos.
- Permite el ajuste y calibración del ángulo de caída.

El pivote de la dirección permite la unión del brazo de dirección a la mangueta, de manera que pueda trasmitir los movimientos del volante a las rudas.
También debe cumplir con las características mencionadas en el capítulo uno.
La mejor opción es utilizar un elemento adicional para el pivote de dirección, unido mediante soldadura o empernado, esto permite obtener un buen desempeño y precisión del sistema de dirección, evitando que existan holguras
La mejor solución para mantener fija la mordaza de freno a la mangueta es utilizar soportes unidos mediante soldadura.

Adicionalmente, se debe tomar en cuenta el tipo de mordaza que se utilizará, se recomienda el uso de mordazas de montante fijo.

Los conceptos de solución para el proceso de construcción están basados en la investigación del estado del arte.
La mejor opción para la manufactura del cuerpo de las manguetas es mediante
cortes de chapas metálicas y uniones soldadas
, esto se debe a la disponibilidad de la tecnología y el bajo costo de la manufactura.
Este tipo de proceso de construcción desperdicia menos material que un proceso por arranque de viruta por este motivo se reduce su costo de producción.
Vale recalcar que todo proceso de construcción se compone de varias combinaciones de procesos, que pueden incluir cortes por agua, mecanizado mediante maquinas herramientas (torno, fresadora), soldaduras (TIG, MIG y eléctrica), etc.
El centro de rueda debe cumplir con las características mencionadas en el capítulo uno. Por este motivo se consideran las soluciones de un centro de rueda comercial y un centro de rueda de diseño propio.
Los conceptos A y B poseen la configuración de un eje que gira libremente en la pista interior de un rodamiento, mientras que el rodamiento se sujeta a la mangueta.
La desventaja del concepto A es que la configuración debe utiliza adicional un eje libre de apriete. Mientras el concepto B, no utiliza este elemento adicional.
El ajuste del camber afecta la cantidad de neumático sobre el suelo, esto se debe al recorrido de la suspensión cuando trabaja, por este motivo el ángulo de caída debe ser fácilmente ajustable.
El ajuste del camber mediante láminas es la mejor solución, siendo de fácil ajustabilidad, y fabricación, ya que se gradúa rápidamente para las diferentes situaciones en los eventos de la competencia.
Inicialmente se detallan los elementos que intervienen en el diseño de las manguetas; el proceso de diseño no se lo realiza de manera independiente a los sistemas con los que interactúan, porqué ciertas características de estos elementos pueden dictar restricciones para otros elementos y así afectar al diseño.
Diseño en detalle
Centro de rueda:
Disponible comercialmente.
Fabricación.
Menor costo.
Rodamiento:
Disco de freno:
- Tipo:
Disco de freno perforado.
- Material:
Hierro Fundido.
- Peso:
0,9 Kg.

Mordaza de freno:
La mordaza de freno se puede utilizar con discos de freno de 240 mm y 320 mm de diámetro exterior.
Detalles:
Espacio interior del aro y la ubicación de los puntos que determinan el ángulo de avance de la mangueta delantera y los puntos de sujeción con los brazos de suspensión donde se ubican las juntas esféricas.
Consideraciones:
- Revisar la hoja de especificaciones de la mordaza de freno
El diseño que se muestra en las figura es un elemento que satisface los siguientes requerimientos:
- Soportes para los brazos superior e inferior.
- Soporte para la mordaza de freno.
- Contener y retener el rodamiento.
- Elementos adicionales para el pivote de la dirección y brazos de suspensión.
- Cuerpo de capa metálica.
- Ajuste de convergencia y divergencia delantera mediante el pivote de la dirección.
Diseño de retención del rodamiento y del centro de rueda dentro de su buje, utilizando la configuración de eje libre como se menciona en la propuesta de solución para el centro de rueda. Tomando en consideración las medidas del rodamiento y el anillo de retención.
Cálculo de la magnitud y dirección de las fuerzas principales durante la conducción del vehículo F-SAE
Transferencia de pesos:
se producen durante:
- el frenado
- la aceleración
- el paso por una curva
Carga torsional de frenado
Carga lateral en curva:
Obstáculo en pista:
- Velocidad constante de 50 Km/h.
- Los neumáticos se mantendrán en contacto con la superficie en todo momento.
- Obstáculo de forma triangular con una pendiente de 30° y altura de 20 cm.

Análisis de esfuerzos y deformaciones mediante el método de elementos finitos
Análisis de esfuerzos y deformaciones mediante el método de elementos finitos
Interacción de diseño:
La siguiente figura muestra el rango de ajuste del ángulo de caída que comprende de 0 a -5°; esta calibración se la realiza mediante la inserción de láminas de diferentes espesores.
Transmisión de las maniobras del piloto mediante los brazos de dirección a las ruedas.
Construcción :
El propósito de la competencia F-SAE, es asumir que los estudiantes de pregrado y posgrado trabajan para una empresa que se dedicará a diseñar, fabricar, desarrollar y competir con un prototipo de vehículo de competencias.
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