modelado y anÁlisis de la suspensiÓn t e s i n...
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD TICOMAN
“MODELADO Y ANÁLISIS DE LA SUSPENSIÓN
TRASERA DE UNA MOTOCICLETA”
T E S I N A
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO EN AERONÁUTICA
PRESENTAN:
FIGUEROA HERNANDEZ JOSE MANUEL
HERNANDEZ TREVIÑO JULIO CESAR
ASESORES:
ING. FERNANDO VAZQUEZ PANIAGUA
LIC. DAVID TORRES ÁVILA
MEXICO, D.F. OCTUBRE 2013
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERíA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD TICOMÁN
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN AERONÁUTICA POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN: SEMINARIO
DEBERÁN PRESENTAR: LOS Ce. PASANTES:
FIGUEROA HERNANDEZ JOSE MANUEL
HERNANDEZ TREVIÑO JULIO CESAR
"MODELADO Y ANÁLISIS DE LA SUSPENSIÓN TRASERA DE UNA
MOTOCICLETA"
RESUMEN
ABSTRACT
INTRODUCCIÓN
CAPÍTULOI TEORÍA DE MOTOCICLETAS
CAPÍTULO 11 MODELADO DE LA SUSPENSIÓN TRASERA
CAPÍTULO III ANÁLISIS DE LA SUSPENSIÓN TRASERA MEDIANTE ELEMENTO FINITO RESULTADOS
CONCLUSIONES
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
LIGASWEB
ANEXOS
México, DF., a 14 de octubre de 2013.
ASESORES
ING. AZQUEZ PANIAGUA LIC. DAVID TORRES AVILA
IN
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INDICE PAGINA
Glosario de términos
Glosario de acrónimos
Lista de figuras
Lista de tablas
Resumen
Abstract
Introducción……………………………………………………………………………. 9
Justificación…………………………………………………………………………. 10
Antecedentes……………………………………………………................. 11
Objetivo general………………………………………………………………….. 12
Objetivos específicos………………………………………………………….. 12
Hipótesis………………………………………………………………………………. 13
Marco teórico………………………………………………………………………. 14
Metodología…………………………………………………………………………. 23
Descripción de capítulos……………………………………………………… 24
Capítulo 1
TEORÍA DE MOTOCICLETAS.
1.1 Historia de la Motocicleta……………………………………………. 25
1.2 Partes Principales de la Motocicleta……………………………. 30
1.3 Historia de la Suspensión Trasera………………………………. 31
1.4 Sistema de Suspensión Trasera Britten…………………….. 34
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INDICE PAGINA
Capítulo 2
MODELADO DE LA SUSPENSIÓN TRASERA.
2.1 Modelado de los Elementos de la Suspensión………………. 36
2.2 Ensamble de la Suspensión……………………………………….. 42
Capítulo 3
ANALISIS DE LA SUSPENSIÓN TRASERA MEDIANTE
ELEMENTO FINITO.
3.1 Datos de Partida………………………………………………………. 44
3.2 Mallado del Modelo…………………………………………………… 45
3.3 Simulación……………………………………………................... 51
Resultados……………………………………………………………………………… 53
Conclusiones…………………………………………………………………………. 55
Referencias Bibliográficas…………………………………………………. 56
Ligas Web ……………………………………………………………………………… 57
Anexos......................................................................... 58
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GLOSARIO DE TÉRMINOS
Balancín: Pieza de las motocicletas que consiste en una barra unida a
un eje, cuyo movimiento es oscilatorio y sirve para transformar o
regularizar otro movimiento.
Ballesta: Órgano de suspensión de la motocicleta formado por láminas
de acero.
Barra de torsión: es un elemento de acero que conecta los ejes de la
suspensión con el fin de reducir el movimiento del chasis causado por
una fuerte demanda en los giros.
Cardán: es un componente mecánico, descrito por primera vez por
Girolamo Cardano, que permite unir dos ejes no colineales. Su objetivo
es transmitir el movimiento de rotación de un eje al otro a pesar de la
no colinealidad.
Elastómeros: son aquellos polímeros que muestran un comportamiento
elástico.
Flameo: es una inestabilidad aeroelástica por la cual una estructura al
vibrar absorbe energía del fluido circundante de tal forma que es
incapaz de disipar en un ciclo de vibración toda la energía que absorbe.
Manillar: Pieza motocicleta en la que se apoyan las manos para
controlar la dirección.
Solicitación: tipo de acción o fenómeno externo que afecta a una
estructura y necesita ser tenido en cuenta en los cálculos estructurales.
Vaivén: Balanceo, movimiento alternativo y sucesivo de un lado a otro.
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GLOSARIO DE ACRÓNIMOS
CAD Computer-Aided Design
CC Cilindrada del Motor.
Cdg Centro de Gravedad.
Cm3 Centímetro Cúbico.
CV. Caballo de Vapor.
E Módulo de Elasticidad [Pa].
F Fuerza [N].
FS Factor de Seguridad.
GP Gran Prix.
K Constante de Amortiguamiento [N/m]
Kg Kilogramo.
Km/h Kilometro por Hora.
M Masa.
m Metro.
mm Milímetro.
N Newton.
Pa Pascal.
S2 Segundo Cuadrado.
Esfuerzo de Cedencia [Pa].
Coeficiente de Poisson.
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LISTA DE FIGURAS
No. de figura Descripción Página
1 Tren trasero de una RG 500 de carreras con
amortiguadores inclinados………………………….. 16
2 Bieleta corta con ángulo de giro grande………...... 18
3 Sistema de Bieletas………………………………….
18
4 Funcionamiento de una bieleta…………………….. 19
5 El ‘Uni-Trak’ de Kawasaki del año 1985…………... 19
6 Diseño de Suzuki GSX 600 de 2000……………….
20
7 Yamaha RD500LC de 1984………………………… 20
8 Sistema de suspensión de una motocicleta con
motor Rotax 250cc………………………………….. 21
9 Bieleta con balancines……………………………… 22
10 Partes de una motocicleta………………………….. 30
11 Suspensión trasera Britten………………………….. 35
12 Agujero de anclaje superior…………………………
36
13 Parte superior de la suspensión…………………… 37
14 Vástago de la suspensión…………………………..
37
15 Agujero anclaje inferior………………………………
38
16 Parte inferior de la suspensión…………………….. 39
17 Desarrollo del resorte……………………………….. 39
18 Plano del resorte……………………………………..
40
19 Hélice del resorte……………………………………..
40
20 Resorte……………………………………………….. 41
21 Corte del resorte…………………………………….. 41
22 CATPART a ensamblar…………………………….. 42
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No. de figura Descripción Página
23 Alineado de elementos………………………………
43
24 Suspensión ensamblada…………………………….
43
25 Geometría a Analizar………………………………...
44
26 Tipos de Elementos para el mallado………………. 45
27 Propiedades de los materiales……………………..
46
28 Secciones transversales para el análisis…………. 47
29 Cambio de coordenadas del espiral………………..
47
30 Parámetros del mallado……………………………..
48
31 Número de divisiones de los elementos…………..
48
32 Elemento dividido……………………………………. 49
33 Mallado de la suspensión…………………………… 49
34 Fuerzas aplicadas……………………………………
50
35 Solución del modelo…………………………………
51
36 Desplazamientos máximos del resorte……………. 52
37 Lista de tipos de esfuerzos…………………………. 53
38 Esfuerzos máximos en el resorte…………………..
54
LISTA DE TABLAS
No. de tabla Descripción Página
Tabla 1 Características de los materiales………………………. 45
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Resumen
En este proyecto se plantea el modelado y análisis de un sistema de
suspensión viable para una motocicleta.
Se comienza viendo la evolución de los sistemas de suspensión que han
habido a lo largo de la historia de las motocicletas y los tipos más
comunes que existen actualmente y su funcionamiento, con esta
introducción se presenta la propuesta de modelado del sistema de
suspensión, el sistema escogido se optimiza para que cumpla con los
requisitos de la motocicleta.
Finalmente se lleva a cabo el análisis del conjunto.
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Abstract
This project proposes the modeling and analysis of a workable
suspension system for a motorcycle.
We start off by studying the evolution of suspension systems that have
existed throughout the history of motorcycles and the most common
types that currently exist and function, with this introduction the
proposed suspension system modeling is presented, the system chosen
is optimized to meet the requirements of the motorcycle.
Finally the analysis of the whole is performed.
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INTRODUCCIÓN
Las motocicletas necesitan en su estructura un sistema capaz de
absorber las oscilaciones del terreno. Debido a que el terreno no es
completamente uniforme, se producen constantes elevaciones y
hundimientos del conjunto. Esto no plantea grandes problemas a baja
velocidad, pero si ésta aumenta, se llega a un punto en que la moto
salta sobre el terreno por efecto de la inercia, perdiendo contacto con el
suelo, y, por tanto, capacidad de maniobra. Además, los constantes
saltos causan incomodidad al piloto y los pasajeros, que se ven
continuamente sacudidos sobre el vehículo.
Para evitar estos efectos, se incorpora algún mecanismo entre las
ruedas, que deben estar en contacto firme con el suelo y el resto del
bastidor. Estos mecanismos forman el conjunto de lo que se denomina
“suspensión”.
Los elementos de la suspensión de una motocicleta se pueden dividir en:
-Horquilla delantera
-Conjunto muelle-amortiguador trasero con basculante
-Amortiguador de dirección
Entre estos elementos, el proyecto se centra en analizar el resorte
trasero para comprender la función del mismo.
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JUSTIFICACIÓN
El proyecto surge de la necesidad de dotar a una motocicleta de 125cc
de un sistema de suspensión con una serie de ventajas que le den al
conjunto de un plus de competitividad mejorando la tracción y la
estabilidad.
La solución que finalmente se adopta es un sistema de suspensión que,
cuando las solicitaciones son pequeñas, tiene un comportamiento propio
de una suspensión suficientemente blanda absorbiendo las
irregularidades del terreno manteniendo siempre dentro de los
márgenes posibles, el contacto del neumático con el asfalto. Pero
cuando las solicitaciones son mayores como es el proceso de aceleración
máxima o el paso por curva, donde la solicitación puede ser de un 300%
de la que tendría la motocicleta en la situación de rodaje normal, la
suspensión se vuelva más rígida dándole a la máquina estabilidad
evitando “flameos” y “vaivenes”.
Con este sistema de suspensión, se logra un aumento de rendimiento
global de la motocicleta optimizando la tracción y permitiendo un paso
por curva más rápido.
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ANTECEDENTES
El constante desarrollo e investigación ha conseguido que en los últimos
cuarenta años se haya avanzado muchísimo en el campo del estudio de
las suspensiones de motocicletas. Si nos remontamos a las primeras
motocicletas se distingue una suspensión trasera inexistente, debido a
que se montaba el chasis de manera rígida al basculante dejando la
misión de amortiguar al asiento que contaba con unos muelles en su
parte inferior.
En los últimos cincuenta años se produce una gran evolución en los
sistemas de suspensión trasera y unión al basculante, reinventándose
una y otra vez diferentes sistemas hasta que la firma de motocicletas
Yamaha, en los años 70 empleó un sistema innovador de suspensión
progresiva denominada “cantilever”. Dicho sistema constaba de un solo
amortiguador uniendo el basculante al chasis a través del amortiguador
que se escondía debajo del depósito.
En los años 80 Kawasaki ya montaba en sus modelos de GP un sistema
de suspensión progresiva denominado PRO-LINK en el que se monta un
balancín para efectuar la unión entre el chasis y el amortiguador y
uniendo de forma directa éste al basculante. Se consigue una
progresividad en el recorrido de la suspensión consiguiendo mejores
características a la hora de rodar.
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OBJETIVO GENERAL
Analizar estructuralmente el sistema de suspensión trasera, como
prioridad el resorte, para una motocicleta de 125cc, para optimizar la
tracción y estabilidad.
Más concretamente se pretende modelar y analizar un sistema de
suspensión con un buen comportamiento dinámico que facilite el manejo
de la moto pero a la vez sea diferente a lo visto normalmente en las
motocicletas de calle.
Para ello se estudiaran las distintas alternativas de suspensión trasera
existentes en la actualidad en el mercado y pasadas a lo largo de la
historia de la motocicleta, analizando y valorando cada una de ellas, y
comparándolas entre sí.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Dar con la mejor solución que permita alcanzar los fines perseguidos.
Esto supone un intenso proceso de información, investigación y
recopilación de información de diversas fuentes, que permitan obtener el
conocimiento suficiente para poder realizar la elección de modo
acertado.
Se deberá comparar y elegir entre varias geometrías y materiales que
conforman la suspensión. Se realizara el modelado que será valorado
mediante herramientas de elementos finitos, en busca de las mejoras
que se ajusten a las necesidades.
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HIPÓTESIS
Si analizamos el comportamiento del resorte de la suspensión trasera en
cuanto a su geometría y material propuesto, entonces evaluaremos las
ventajas para la motocicleta de 125 cc.
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MARCO TEÓRICO
La función primaria de la suspensión de la moto es aislar al piloto y al
cuerpo principal de la máquina de los baches y oscilaciones de la
carretera. Para mejorar el confort del piloto y para mejorar la fiabilidad
y longevidad de la moto. Para hacer esto, y para mejorar el rendimiento
en competición del conjunto motriz, es fundamental que las ruedas se
mantengan en un contacto lo más estrecho posible con el suelo para
conseguir un control y un agarre a la carretera máximo.
Las suspensiones disponen de dos sistemas, el resorte y el freno
hidráulico. El primero suele ser un muelle helicoidal, aunque a veces se
trabaja con ballestas, elastómeros o barras de torsión. Su función es
absorber la energía que se produce durante el desplazamiento de la
masa suspendida (ruedas y la parte de la suspensión fija a ellas), para
devolverla a su posición inicial una vez que ha cesado la causa que
produce el desplazamiento (baches, fuerza centrífuga en las curvas,
inercia al acelerar o frenar....
El problema puede venir de las inercias de los resortes y del movimiento
en el que liberan la energía ya que viene sucedido por oscilaciones de
extensión y compresión. Para evitar que las suspensiones vayan
extendiéndose y comprimiéndose constantemente mientras la
motocicleta circula, se instala un freno a estos movimientos parásitos:
es el sistema hidráulico.
Mientras el recorrido del muelle depende de la fuerza que se le aplique,
el sistema hidráulico depende de la velocidad del desplazamiento. Un
muelle se comprime más conforme aumenta la carga sobre él, un
sistema hidráulico se endurece cuando aumenta la velocidad del
desplazamiento. Esto es muy importante, porque separa la regulación
de ambos sistemas dependiendo del problema. Si este está causado por
la fuerza que provoca el movimiento (topes o falta de recorrido en la
suspensión), es el muelle el factor a considerar. Si por el contrario es la
velocidad de trabajo (oscilaciones, rebotes, movimientos parásitos....)
es el hidráulico el sistema a regular.
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Una buena suspensión optimiza el rendimiento de la moto, haciendo que
el flujo de potencia desde la planta motriz hasta la rueda y el asfalto sea
con las menores pérdidas posibles. De nada sirve una motocicleta que
tenga una gran potencia si la suspensión no garantiza el contacto de la
rueda que haga efectiva esa potencia.
Resulta muy complejo diseñar un sistema de suspensiones en una
motocicleta debido al vasto rango de demandas contradictorias
provocadas por el diseño del vehículo y la necesidad de inclinarse para
tomar las curvas. La baja relación entre la distancia entre ejes y la
altura del CdG da lugar a una gran transferencia de carga al acelerar y
al frenar. A la vez, la suspensión debe mantener su capacidad para
absorber los baches de la carretera. Los requerimientos de confort y
agarre se encuentran normalmente en conflicto.
A lo largo de los años, se han ido desarrollando distintos sistemas de
suspensiones de acuerdo a los requerimientos del tipo de motocicleta y
de las características de pilotaje.
En los primeros años del interés por el diseño optimizado de
suspensiones para motocicletas, se optaba por sistemas simples
conectando directamente el amortiguador a puntos específicos
estratégicos del basculante. A menudo era frecuente la necesidad de
instalar dos amortiguadores (uno a cada lado del basculante) debido a la
escasa rigidez torsional que presentaban los primeros diseños de
basculantes. Para darle un plus de rendimiento a estos sistemas de
suspensiones, se instalaban muelles de constante progresiva que se
endurecían a medida que se comprimían.
La consecución de sistemas de suspensiones de constante progresiva se
ha ido haciendo muy necesaria sobre todo en motocicletas de
competición ya que se va endureciendo a medida que las solicitaciones
dinámicas van creciendo.
Así por ejemplo, cuando la motocicleta va en recta a velocidad máxima,
las solicitaciones serán propias de una suspensión menos rígida, que
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consiga que la rueda siga siempre el perfil del terreno. Cuando hay un
paso por curva o una frenada potente, la carga que soporta es mucho
mayor (se triplica en un paso por curva) y es justo en esos instantes
donde el control de la moto se hace crucial, luego se hace necesaria las
ventajas de una suspensión con una rigidez mayor. Si es el caso de la
aceleración, la suspensión debe bajar un poco al principio para que se
produzca la transferencia de masa deseada pero a su vez la
transferencia de potencia debe ser máxima lo que requiere una
suspensión de gran firmeza.
En sus inicios, para conseguir los efectos deseables de la suspensión
progresiva, se instalaban los amortiguadores en lugares
geométricamente estratégicos que conseguían que el sistema
evolucionase de la forma más parecida a lo que se estaba buscando.
Como podemos observar en la siguiente figura:
Figura 1. Tren trasero de una RG 500 de carreras con amortiguadores inclinados. El punto ‘A’ es el anclaje del basculante, ‘B’ es anclaje superior del amortiguador. ‘C’ es el anclaje inferior del amortiguador cuando la suspensión está extendida y ‘D’ es el anclaje inferior del amortiguador cuando la suspensión está comprimida. L1 es el brazo de palanca con la suspensión extendida y L2 es el
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brazo de palanca con la suspensión comprimida. L2 es mayor que L1, por lo que la constante elástica efectiva será mayor cuando la suspensión esté comprimida. Si sacamos medidas a escala de la foto, L2:L1= 1.05. La relación entre las dos constantes es igual al cuadrado de este valor, o en otras palabras, la constante con la suspensión comprimida es un 11% mayor. Esto se debe a razones puramente geométricas, a éstas se puede añadir cualquier efecto de progresividad que tengan los propios amortiguadores.
Más recientemente ha habido una tendencia hacia los sistemas de
suspensión trasera por bieletas. Normalmente, consiste en obtener unas
constantes de muelle y de amortiguamiento progresivas a través de
medios geométricos. Si la progresividad es deseable, esta puede ser una
buena forma de conseguirla porque tanto la relación del muelle como la
del amortiguador varían a la vez. Para conseguir este efecto progresivo,
es necesario que una bieleta o palanca se incline un ángulo grande para
un determinado movimiento lineal, y para ello este brazo de palanca
debe ser pequeño. Todos los sistemas de bieletas tienen esto en común.
Suponiendo que todos producen unos cambios parecidos en la constante
efectiva del muelle (medida en el eje de la rueda), y que su peso y su
rigidez son similares, ninguno de estos diseños tiene una ventaja
especial sobre los demás. Así, la elección de diseño quedará mejor
determinada si nos basamos en consideraciones estructurales o de
espacio. También resulta beneficioso que el sistema tenga el menor
número posible de articulaciones. Aparte de permitir utilizar un único
amortiguador con un movimiento reducido, estos sistemas permitían un
tremendo control geométrico de las propiedades de la constante del
muelle. Se podía conseguir fácilmente progresividad, regresividad y
combinaciones de ambas. La figura siguiente muestra cómo los brazos
de palanca pueden cambiar drásticamente cuando una bieleta corta gira
un ángulo relativamente grande, dando lugar a una gran progresividad
de la constante.
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Figura 2. Bieleta corta con ángulo de giro grande.
Kawasaki fue una de las primeras en utilizar un sistema de bieletas para carreras de velocidad. Aquí se muestra el de la KR500 con chasis ‘monocasco’. El extremo inferior del amortiguador está anclado a la parte baja del basculante, si bien el movimiento mayoritariamente horizontal tiene algún efecto sobre las propiedades de variación de la constante, su principal ventaja estriba en que elimina la necesidad de estructuras adicionales en el chasis para sujetar el amortiguador.
Figura 3. Sistema de Bieletas.
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Figura 4. Funcionamiento de una bieleta.
En la Drysdale V8, construida en Australia en 1999, el espacio estaba
tan solicitado que el amortiguador se montaba transversalmente debajo
del basculante. Viéndolo desde debajo, podemos apreciar los dos
tirantes verticales que caen del basculante para accionar los dos
balancines que están a cada lado del amortiguador, comprimiéndolo
como si fuera un acordeón.
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Figura 5. El ‘Uni-Trak’ de Kawasaki del año 1985, instalado en una GPz750. El balancín es empujado hacia arriba por la bieleta que viene del basculante, conectada con un radio muy pequeño medido desde el anclaje del balancín. El amortiguador está conectado con un radio más grande y por lo tanto se mueve hacia arriba con una constante mayor. A pesar de que han pasado casi dos décadas desde que estos diseños empezaron a usarse, hoy en día existen muchos modelos que tienen un diseño muy similar. Por ejemplo la Suzuki GSX 600 del año 2000 tiene un diseño prácticamente idéntico.
Figura 6. Diseño de Suzuki GSX 600 de 2000.
Figura 7. Yamaha RD500LC de 1984
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Ésta Yamaha RD500LC de 1984 (izquierda) es interesante porque el basculante está conectado directamente al balancín sin ninguna bieleta intermedia, esto significa que el balancín debe estar conectado al chasis mediante una pequeña bieleta. Conforme el basculante se mueve hacia arriba, el extremo inferior del balancín se mueve hacia delante comprimiendo el amortiguador.
Aunque se construyó en el mismo año que el ejemplo de la izquierda,
este diseño de Yamaha (derecha) es más normal, con el amortiguador
montado verticalmente. Esta disposición se usó en varios modelos
distintos. No tiene un balancín propiamente dicho, básicamente utiliza
dos bieletas para definir la trayectoria del movimiento del amortiguador.
En el siguiente diseño, el autor deja un espacio libre debajo del asiento, que ocupará el depósito de gasolina. Una moto de carreras con motor Rotax 250 cc.
Figura 8. Sistema de suspensión de una motocicleta con motor Rotax 250cc.
Incluso las modernas máquinas de GP utilizan diseños con bieletas y
balancines que generalmente tienen sus orígenes en los primeros años
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80. Este diseño ancla el balancín directamente al basculante, al igual
que hacía la Yamaha RD500LC.
Figura 9. Bieleta con balancines.
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METODOLOGÍA
En referencia a la metodología utilizada, es interesante destacar lo siguiente:
Primeramente se analizan los diferentes tipos de suspensiones traseras
existentes actualmente en el mercado.
El siguiente paso consiste en la descripción de todos los componentes que
integran el modelado, especificando en cada caso cuales han sido los criterios
de selección de cada uno de los componentes.
Después se inicia una nueva etapa en la que consiste en modelar las piezas
que se incorporarán en el diseño.
Finalmente como en todo proyecto se realiza una simulación del
comportamiento del resorte para justificar los parámetros seleccionados en
todas las etapas anteriores.
A lo largo del proyecto se hace referencia al modelo de motocicleta de 125cc
para definir conceptos clave para el modelado de la suspensión trasera. El
conjunto está pensado para ser instalado en ésta motocicleta de 125cc,
aunque es aplicable a cualquier motocicleta en la que su suspensión incorpore
un conjunto muelle-amortiguador de botella separada.
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DESCRIPCIÓN DE CAPÍTULOS
Capítulo 1: Este capítulo servirá para poder tener una visión general de la
historia de las motocicletas así como los aspectos básicos de las partes que la
componen, específicamente en la suspensión trasera.
Capítulo 2: Explicación detallada de las acciones que se llevarán a cabo
con el software de diseño. Modelado de piezas, ensamblaje de piezas,
planos de piezas y muestra la evolución del modelado de la suspensión.
Capítulo 3: En este capítulo se detallarán los pasos para generar la
geometría, mallado y análisis de la suspensión en un software de
elemento finito.
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1. TEORIA DE MOTOCICLETAS
1.1 HISTORIA DE LA MOTOCICLETA
El principal atractivo de conducir una motocicleta veloz ha cambiado
muy poco en el último siglo y pico. Durante ese tiempo, las motos han
pasado de ser máquinas simples con un solo cilindro a convertirse en
ultra sofisticados ingenios capaces de superar los 300Km/h. Pese a ello
la sensación que produce asir el manillar y meter gas a fondo, es casi la
misma tanto si estamos arriba de la última superbike como si
conducimos una gran dos cilindros en V de los primeros años del siglo
XX.
“Rápidas” es un concepto relativo, así que pocos lo emplearían
actualmente para describir una motocicleta que apenas alcanzase los
40Km/h. Sin embargo, ésa era la velocidad máxima de la primera moto
de serie, construida en Alemania por Hildebrand y Wolfmüler en 1894. Y
si tenemos en cuenta que el freno trasero de esta dos cilindros de 1500
cm3. Refrigerada por agua era una simple barra de metal arrastrada por
el suelo. Lo más seguro es que incluso esa velocidad pareciese más que
suficiente.
La moto de Hildebrand y Wolfmüler constituía sin duda una mejora
respecto a la primera motocicleta, la Einspur “monocarril” monocilíndrica
de 265 cm3 construida en madera nueve años antes por otro alemán,
Gottlieb Daimler. Con todo, la motocicleta tal y como la conocemos hoy
fue creada en 1901. Aquel año los hermanos franceses Werner (cuya
firma era una de tantos fabricantes de motocicletas que situaban el
motor en muy distintos lugares) trasladaron el motor de la rueda
delantera a un cuadro rectangular entre las ruedas.
La “nueva Werner” se manejaba mucho mejor gracias a su centro de
gravedad más bajo y sentó el modelo a seguir, con alguna notable
excepción, en el diseño de motocicletas. Los avances fueron
sucediéndose a partir de entonces. También en 1901 la firma
estadounidense Indian construyó su primer modelo y, un año después,
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Harley-Davidson haría lo propio. A medida que la demanda de
transporte personal crecía a ambos lados del atlántico, aumentaron las
empresas que construían motocicletas con las más diversas
configuraciones de motor.
Poco tardaron los diseñadores de motocicletas en introducir
innovaciones en las sencillas máquinas monocilíndricas del siglo XIX.
Numerosas firmas empezaron a construir motos de dos y hasta cuatro
cilindros antes de la Primera Guerra Mundial a medida que un número
cada vez mayor de gente descubría la emoción y la comodidad de las
motos.
Durante las décadas de 1920 y 1930, las monocilíndricas, cada vez más
sofisticadas y veloces, consiguieron conservar su popularidad al tiempo
que hacían su aparición monturas de doble cilindro como la Speed Twin
de Triumph y la Brough Superior, que daban una nueva dimensión de
motociclismo de grandes cilindradas.
Las máquinas de cuatro cilindros construidas por la empresa belga FN
no eran las más rápidas de los primeros años del motociclismo, pero sí
se contaban entre las más fiables y sofisticadas. Creada en 1904, la FN
four causó sensación gracias a su avanzado diseño, que incluía
transmisión secundaria por cardán y un chasis simple pero ligero y
eficiente. La Four fue un éxito comercial: se mantuvo en producción
durante más de dos décadas, durante las cuales experimentó sucesivos
aumentos de cilindrada.
Las motos construidas por Alfred Angas Scott, en su fábrica de
Yorskshire se encuentran entre las más innovadoras y de mejor diseño
de los primeros años del motociclismo; y también entre las más rápidas.
Ninguna moto podía compararse con ellas en aspecto, sonido o
rendimiento. Su velocidad quedó de manifiesto en numerosas ocasiones,
como cuando vencieron en las ediciones de 1912 y 1913 del Señor TT de
La Isla de Man.
La moto Ace fue diseñada por William Henderson, cofundador de la
marca Henderson, y había sido remozada tras su muerte, acontecida en
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1922 mientras probaba una de sus motocicletas. La Ace gozaba de
renombre por su velocidad y calidad, así que el primer paso de Indian
tras hacerse con sus derechos fue continuar la producción de la Four sin
apenas cambios. Indian mantuvo inicialmente el nombre de Ace, si bien
desde junio de 1927 en adelante fue rebautizada como Indian Ace, y
estuvo disponible en el habitual rojo oscuro de la firma, así como en su
azul original.
Las últimas Four, construidas en 1940 y 1942, incorporaban enormes
guardabarros con faldones y suspensión trasera. Eran elegantes y muy
cómodas, pero pesadas y de lenta maniobra. Tras el estallido de la
Segunda Guerra Mundial, Indian produjo un gran número de motos de
dos cilindros en V para el ejército y desarrolló dos prototipos de moto de
cuatro cilindros llamados X44 y Torque Four. Éstos no llegaron a
despegar, pues la producción del buque insignia de cuatro cilindros de
Indian no se reanudó tras la guerra.
“De diez a cien en directa” era el orgulloso eslogan con que Ariel
anunció la Square Four durante la década de 1950. De esta forma
resaltaba las prestaciones de la moto a bajas revoluciones, así como su
velocidad máxima por encima de los 161 Km/h.
La Square Four fue rediseñada en numerosas ocasiones durante su
producción que se extendió entre 1931 y 1958. A lo largo de esos
veintisiete años se dobló la cilindrada del motor y se transformó por
completo el chasis y el perfil. Sin embargo, pese a ello, su potencia, su
suavidad y el tamaño compacto de su motor de cuatro cilindros
refrigerado por aire se mantuvieron constantes.
En la década de 1950, el principal objeto de deseo de todo motorista
con ánimo competitivo no podía ser otro que la Gold Star DBD 34
Clubman, ya fuera tanto para correr en la Isla de Man como para
competir en pista corta o en la calle en carreras privadas entre amigos.
Estilizada, decidida y agresiva, la DBD 34 Clubman era la última y más
conocida versión de una serie de monocilíndricas Gold Stard con
motores de 350 cm3 y 500 cm3 pensados para largos trayectos, trial y
motocross.
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Moto Guzzi se alzó con tres campeonatos del mundo de 250 cm3 y cinco
títulos consecutivos de 350 cm3. Fue la competición precisamente lo que
inspiró la Guzzi más famosa de todas: la V8 de 500 cm3 de 1956. El
exótico motor diseñado por Giulio Carcano producía 72 CV y registró una
velocidad máxima de 286Km/h en el Gran Prix de Bélgica de 1957. No
obstante Guzzi se retiró de las carreras ese mismo año, antes de que la
V8 tuviera oportunidad de dejar huella.
Desde el punto de vista de las dos ruedas, la década de 1970 empezó,
en, realidad en 1969, cuando Honda lanzó la CB750. “La primera
superbike” no solo maravilló por su motor de cuatro cilindros en línea,
que pronto seria adoptado por las demás marcas japonesas, sino que
también hizo gala de un nivel de sofisticación muy superior al de los
fabricantes británicos, lo que confirmaba que había comenzado una
nueva era.
Para el final de la década, las firmas japonesas habían aportado una
extraordinaria variedad de superbikes con dos, tres y seis cilindros;
algunas de las cuales con una potencia superior a los cien CV. A ese
floreciente mercado se unieron los fabricantes europeos, con un sinfín
de modelos exóticos.
A diferencia de la década anterior, en la que se manifestó una tendencia
hacia una mayor potencia y un mayor tamaño, la década de 1980 vio
evolucionar a las superbikes de distintas formas. Las primeras estrellas
de esa era fueron una variación de lo visto antes: bestias grandes y
pesadas, con motor de varios cilindros refrigerado por aire, bastidor de
acero tubular y doble amortiguador trasero. Sin embargo, las motos
siguientes se refinaron y lograron un mayor rendimiento y potencia
adicional. La nueva raza de superbike contaba con motor de
refrigeración por agua, bastidor de aluminio, suspensión trasera por
monoamortiguador y carenado aerodinámico. Hacia el final de la
década, la superbike definitiva era una máquina más pequeña, ligera y
sofisticada.
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En los noventa, las superbikes mejoraron y se hicieron más rápidas,
alcanzando velocidades de más de 241 Km/h. El manejo de las
máquinas estándar, las producidas en serie, era igual al de las motos de
competición de unos años antes. Los avances tecnológicos estaban allí
para todos aquéllos que podían permitírselos, como los pistones
ovalados de Honda o las suspensiones delanteras sin horquilla de
Yamaha y Bimota.
Sin embargo, la mayoría de las motoristas prefería máquinas más
convencionales. Muchas de las mejores superbikes eran versiones
mejoradas de formatos establecidos, como las bien diseñadas dos
cilindros en V de Ducati o las rápidas y ligeras cuatro cilindros
japonesas. Si lo que se quería era velocidad pura, no había nada
comparable a la aerodinámica Hayabusa de Suzuki.
Durante los primeros años del nuevo milenio las motos mostraron una
tendencia hacia la especialización. Las supersports se volvieron mucho
más potentes, ligeras y rápidas. Dicho desarrollo estuvo motivado en
parte por el uso de motos en circuitos de carreras; una práctica cuya
popularidad había crecido rápidamente debido a la dificultad que
suponía desatar un sentimiento tan temible en carreras públicas.
Otra máquina que decía mucho en favor de las superbikes era la
Kawasaki ZX-12 R, cuya velocidad se limitó a 300 Km/h. Este límite fue
acordado por los principales fabricantes para evitar que les obligaran a
dotar a sus máquinas de velocidades más bajas.
La evolución de la motocicleta a lo largo del a historia, es algo que
siempre ha dependido de la utilización que de ella ha demandado la
sociedad. Por supuesto, la evolución tecnológica ha sido vital en dicho
proceso evolutivo, pero casi siempre ha dependido de las necesidades
que este tipo de vehículo tan peculiar ha cubierto en la sociedad.
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1.2 PARTES PRINCIPALES DE LA MOTOCICLETA.
Figura 10. Partes de una motocicleta.
Chasis y subchasis: partes que sirven de nexo de unión de todos los
anteriores elementos y que dan forma a una motocicleta aparte de ser
los encargados de soportar la mayoría de esfuerzos ocurridos durante el
movimiento.
Basculante: parte estructural encargada de sujetar la rueda que
proporciona tracción y a la vez el recorrido de suspensión.
El motor que es donde estaría también incluida la transmisión primaria y
donde se desarrolla la combustión para conseguir el trabajo mecánico.
Transmisión secundaria: transmite esa energía mecánica a la rueda
trasera.
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Suspensión delantera y trasera: amortigua las posibles imperfecciones
del terreno.
Sistema de escape: regula los decibelios emitidos al ambiente.
Sistema de frenos: los encargados de hacer parar la motocicleta.
Sistema de dirección: da maniobrabilidad a la motocicleta.
1.3 HISTORIA DE LA SUSPENSIÓN TRASERA.
El brazo oscilante trasero (comúnmente conocido como basculante) se
ha impuesto totalmente como sistema de suspensión trasera y aunque
está lejos de ser perfecto, resulta difícil pensar en una alternativa que
pueda ser mejor. El basculante se impuso rápidamente al sistema
plunger, que era técnicamente muy pobre, aunque fue muy popular en
los años 50. Normalmente el basculante estaba formado por un tubo
transversal que alojaba los rodamientos de giro y un par de tubos
laterales que soportaban la rueda y los amortiguadores. Este diseño tan
básico tenía una carencia clara de rigidez torsional y era necesario
utilizar dos amortiguadores para evitar el par que producían las fuerzas
de la suspensión. Para eliminar estos defectos, la relación más eficaz
entre rigidez y peso se obtiene triangulando el basculante y conectando
el vértice al amortiguador, tal y como lo patentó Vincent en 1928.
Más recientemente ha habido una tendencia hacia los sistemas de
suspensión trasera por bieletas con un basculante triangulado por
debajo del eje de giro y conectado al amortiguador a través de una
bieleta. Normalmente, el propósito de todos estos diseños consiste en
obtener unas constantes de muelle y de amortiguamiento progresivas a
través de medios geométricos.
Si la progresividad es deseable, esta puede ser una buena forma de
conseguirla porque tanto la relación del muelle como la del
amortiguador varían a la vez. Para conseguir este efecto progresivo, es
necesario que una bieleta o palanca se incline un ángulo grande para un
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determinado movimiento lineal, y para ello este brazo de palanca debe
ser pequeño. Todos los sistemas de bieletas tienen esto en común.
Suponiendo que todos producen unos cambios parecidos en la constante
efectiva del muelle (medida en el eje de la rueda), y que su peso y su
rigidez son similares, ninguno de estos diseños tiene una ventaja
especial sobre los demás, a pesar de lo que digan los fabricantes. Así, la
elección de diseño quedará mejor determinada si nos basamos en
consideraciones estructurales o de espacio. También resulta beneficioso
que el sistema tenga el menor número posible de articulaciones.
Al igual que en el tren delantero, el trasero, con el paso del tiempo,
requirió un anclaje elástico con el chasis. Aunque la importancia de
equipar suspensión en esta rueda era menos importante que en la
delantera, debido a que la dirección del vehículo se encontraba en esta
primera, la comodidad y el aumento de las velocidades lo hicieron
necesario. Por ello, a partir del primer cuarto de siglo, los modelos de
mayor cilindrada primero, y los demás con posterioridad, empezaron a
disponer de distintos sistemas de suspensión trasera.
El gran obstáculo en los primeros momentos fue la transmisión
secundaria. Los sistemas iniciales, tanto correa como por cadenas de
eslabones, funcionaban muy mal si se les sometía a tensiones, y la
solución inicial consistió en dotar al asiento de unos sencillos muelles
que amortiguasen los choques de la rueda trasera. Algo más tarde se
impusieron los sistemas en los cuales la rueda disponía de un mínimo
desplazamiento vertical. De los diferentes sistemas, el que más éxito
tuvo fue la suspensión trasera por embolo. En este caso, se mantenía el
chasis rígido, pero la rueda trasera se anclaba sobre un soporte
deslizante que permitía un pequeño desplazamiento vertical, al estar
fijado su eje sobre un rail en el que se intercalaba un muelle o un
amortiguador hidráulico. Estos sistemas aun no eran lo suficientemente
equilibrados, ya que, por una parte, el recorrido de la rueda era muy
pequeño, y por otra, su desplazamiento provocaba variaciones de
tensión en la transmisión secundaria bastante importantes, ya que era
completamente recto.
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Algo antes de la segunda guerra mundial, se desarrolló el sistema que
más tarde se impondría definitivamente, el brazo basculante.
Previamente ya había sido ensayado por algunos fabricantes, pero, a
partir de entonces, se extendió de manera definitiva. Este sistema, ha
permanecido hasta nuestros días. Está formado por un basculante
anclado al chasis en la parte trasera, lo más cerca posible de la
transmisión posterior de tipo rígido como por ejemplo el cardan.
Normalmente por sencillez de diseño y de instalación del motor en el
caso de transmisión por cadena, hay una pequeña distancia entre el eje
del piñón de ataque y el del basculante. Si son coincidentes, el sistema
se denomina “coaxial”. El extremo libre de este basculante está ocupado
por el anclaje de la rueda, que de este modo tiene un desplazamiento
circular, tomando como centro el anclaje del basculante al chasis. Las
funciones elásticas están encomendadas a uno o varios amortiguadores
intercalados entre el basculante y el chasis.
Este sistema de suspensión presenta una serie de ventajas. En primer
lugar, es bastante ligero, permite un gran recorrido de la rueda, ya que
esta no está limitada por nada, y además el movimiento que sigue es
perfectamente compatible con cualquier transmisión secundaria.
Con la llegada de este tipo de suspensión, la práctica totalidad de las
motocicletas pudieron disponer de un sistema que evitara todos los
problemas causados por la falta de tracción al despegarse la rueda del
suelo en los baches, las derrapadas por causas de una deficiente
adherencia, y facilitara un importante aumento de la comodidad, lo que
posibilito el aumento de la potencia, y, sobre todo, de las posibilidades
de aplicarla al asfalto.
En este tipo de suspensiones aparecen dos elementos de gran
importancia en la motocicleta, el basculante y los amortiguadores. El
basculante es el brazo que une la rueda con el chasis y la dota de un
movimiento circular alrededor de su eje. Esta pieza debe ser muy
robusta, ya que debe soportar todos los esfuerzos de torsión y flexión a
los que les somete la rueda trasera. No hay que olvidar que una de las
funciones primordiales de la estructura ciclista de la moto es mantener
siempre alineadas las ruedas en todo momento.
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Los basculantes iniciales eran bastante poco resistentes, normalmente
realizados en acero de sección redonda con escasos refuerzos. Con el
paso del tiempo, se comprobó que su rigidez era uno de los puntos más
importantes para la mejora de la estabilidad a alta velocidad y
comenzaron a aumentarse de sección, con perfiles cuadrados y
rectangulares. Posteriormente, se reforzaron con triangulaciones
superiores e inferiores, secciones trapezoidales, etc… Un tipo especial de
basculantes es el monobrazo. Normalmente, estas piezas disponen de
dos brazos, de manera que, junto con el eje de la rueda, forman una
estructura cerrada. Con el fin de facilitar la extracción de la rueda, se
han realizado también modelos con una sola viga lateral muy reforzada.
A lo largo de los años, la colocación del elemento elástico ha ido
variando. La posición más clásica ha sido instalar dos amortiguadores,
uno sobre cada brazo del basculante, en la zona cercana al anclaje de la
rueda, sujetos por su parte superior al bastidor, en la actualidad esta
disposición ha variado.
1.4 SISTEMA DE SUSPENSIÓN TRASERA BRITTEN
Unos de los sistemas más extraños de suspensión trasera que podemos
encontrar en la historia, es posiblemente este sistema que uso John
Britten en la construcción de su motocicleta artesanal V1000.
Podemos observar como se ha trasladado el amortiguador a la parte
delantera de la motocicleta, consiguiendo según el propio John una
mejor distribución de pesos al centralizar masas en un eje más
adelantado de la motocicleta, y mejorar el funcionamiento del
amortiguador, ya que en configuraciones estándar situado detrás del
motor, este recibe una carga muy alta de temperatura que hacía
perjudicarle en su funcionamiento. Así ahora detrás de la rueda
delantera este problema desaparecería.
Toda esta nueva distribución hizo que la suspensión tuviese más piezas
móviles que lógicamente produciría más complicaciones a la hora de una
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puesta a punto, esto no paro a Britten para que lo implementase y con
ello ganase una carrera del campeonato Bott. Recordar que este
amortiguador iba anclado en unos de sus puntos al motor, ya que esta
motocicleta carecía de chasis como tal conocemos en las motos
actuales, eso sí, el amortiguador seguía trabajando a compresión
gracias al sistema de bieletas y tirantes que se puede ver en la
fotografía.
Figura 11. Suspensión trasera Britten.
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2. MODELADO DE LA SUSPENSIÓN
TRASERA. 2.1 MODELADO DE LOS ELEMENTOS DE LA SUSPENSIÓN
En el proceso de modelado del amortiguador fueron modeladas las
distintas partes del mismo independientemente, el ensamble consta de
4 componentes.
Las piezas fueron modeladas siguiendo las dimensiones que son usadas
actualmente en suspensiones traseras de motocicletas.
Para comenzar a modelar el amortiguador se empezó con la parte
superior que son los agujeros de anclaje al chasis de la motocicleta.
En un plano se crearon las circunferencias y con el comando PAD se les
dio volumen y después se ocupó el comando FILLET en las
circunferencias externas.
Figura 12. Agujero de anclaje superior.
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A continuación se ocupó una serie de SKETCHS sobre el eje X,Y para
crear circunferencias con sus respectivos valores y después ser
extruidas mediante el comando PAD sobre el eje Z; aplicando de igual
manera el comando FILLET y darle acabado a la circunferencia externa
del ultimo PAD de este elemento.
Figura 13. Parte superior de la suspensión.
El siguiente elemento es el vástago del amortiguador, éste elemento se
crea a partir de un SKETCH posicionado en las coordenadas para que
continúe con la geometría del anterior elemento.
Figura 14. Vástago de la suspensión.
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El tercer elemento para el ensamble, es el conjunto del cilindro del
amortiguador con el agujero de montaje inferior; para este elemento se
comenzó creando el modelo en el plano X,Z y luego se creó las
circunferencias que serán los agujeros de montaje posteriormente se dio
volumen con el comando PAD.
Figura 15. Agujero anclaje inferior.
A continuación se crea un plano tangente en el eje X,Y para crear el
cilindro del amortiguador y después crear las circunferencias de las que
se compone el cilindro del amortiguador y de igual manera con el
comando PAD se les da volumen.
En este elemento se crean 2 FILLET en las circunferencias para dar
acabado a la geometría.
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Figura 16. Parte inferior de la suspensión.
Finalmente se crea el resorte del amortiguador, se crea un plano en el
eje X,Y para después con el comando SKETCH crear un punto de
referencia.
Figura 17. Desarrollo del resorte.
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Se crea un segundo SKETCH en el plano Y,Z para después crear un eje
con la herramienta AXIS.
Figura 18. Plano del resorte.
Se utilizan el eje y el punto de referencia, luego se selecciona el
comando HELIX al cual se le proporciona los valores para el PITCH y
HEIGHT como muestra la figura siguiente.
Figura 19. Hélice del resorte
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Utilizamos el comando RIB para dar volumen a la hélice que se creó.
Figura 20. Resorte
Teniendo la hélice con su volumen cortamos los bordes superior e
inferior con el comando SPLIT.
Figura 21. Corte del resorte.
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2.2 ENSAMBLE DE LA SUSPENSIÓN.
Una vez que se tienen los archivo CATPART de cada uno de los
elementos se procede a llevar acabo un ensamble seleccionando en el
menú ASSEMBLY DESIGN, a continuación se le asigna un nombre al
ensamble y se procede a llamar uno por uno los elementos que
componen el ensamble con el comando EXISTING COMPONENT.
Figura 22. CATPART a ensamblar.
Previamente durante el modelado de cada elemento de le asignó
coordenadas a sus planos de tal forma que quedaran en sus posiciones
sobre el eje Z, con el propósito de alinearlos, debido a que la geometría
del amortiguador es dominada por dicho eje; fue necesario durante el
ensamble ocupar herramienta para el alineamiento las cuales se
encuentran en la barra de herramientas CONSTRAINTS.
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Figura 23. Alineado de elementos.
Al terminar de alinear todos los elementos del amortiguador nos queda
de la siguiente manera.
Figura 24. Suspensión ensamblada.
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3. ANÁLISIS DE LA SUSPENSIÓN
TRASERA MEDIANTE ELEMENTO FINITO.
3.1 DATOS DE PARTIDA.
Se utiliza un software de análisis por elemento finito, para la obtención
de los resultados, se partió de la figura principal tomando para el
análisis las líneas principales de las cuales se conforma el amortiguador.
Para fines de este estudio se considerara el vástago y el cilindro del
amortiguador como elementos sólidos.
La geometría con la cual se efectuara el análisis es la siguiente:
Figura 25. Geometría a Analizar.
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A continuación se enlista los materiales los cuales se propusieron para
realizar el análisis.
No. De Material
Tipo de Material
Módulo de Elasticidad
Coeficiente de Poisson
Constante de amortiguamiento
K
Esfuerzo de
Cedencia
1 Acero 2.7 x 1011
Pa 0.27
2 Aleación
acero 2.1x1011 Pa 0.30
3 AISI 1050
Carbon Steel 20.5x1010
Pa 0.29 13066N/m
515x106 Pa
Tabla 1. Características de los materiales.
3.2 MALLADO DEL MODELO.
Se procede a ingresar las el tipo de elemento en el menú
PREPROSESSOR, BEAM, 3D, FINITE STRAIN.
Figura 26. Tipos de Elementos para el mallado.
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En este caso no nos pide el software ingresar contantes reales para este
tipo de elemento.
Se proporciona de igual forma las características de los materiales,
MATERIAL PROPS, MATERIAL MODELS, MATERIAL MODEL 1,
STRUCTURAL, LINEAL ELASTIC ISOTROPIC.
En la subventana que nos aparece se le proporciona el Modulo de
elasticidad y el Modulo de Poisson correspondiente al primer material
del que se compone nuestro modelo; el mismo proceso se lleva a cabo
para cada uno de los materiales que se tiene.
Figura 27. Propiedades de los materiales.
Para darle el volumen a nuestras líneas y seguir con el análisis, se
procede a crear las secciones transversales para cada una de ellas.
Se siguen los siguientes comandos SECTIONS, BEAM, COMMON
SECTIONS; en la subventana que nos aparece se le asigna todas las
propiedades a cada una de las secciones de la suspensión para ser
usadas durante el análisis.
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Figura 28. Secciones transversales para el análisis.
En el caso de nuestro resorte es necesario cambiar los ejes de trabajo a
las coordenadas del Keypoint 1 en las coordenadas (25,0,0), y
orientándolo de tal forma que el eje Z sea tangente al espiral del
resorte.
Figura 29. Cambio de coordenadas del espiral.
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Ya con el eje en ese punto se procede a mallar la espiral con el menú
MESHING, MESH TOOL, dándole los parámetros correspondientes a cada
elemento.
Figura 30. Parámetros del mallado.
Figura 31. Número de divisiones de los elementos.
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Figura 32. Elemento dividido.
Una vez realizado este proceso para cada uno de los elementos nos
queda el amortiguador de la siguiente manera.
Figura 33. Mallado de la suspensión.
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Se procede a aplicar las cargas y desplazamientos. En el menú
SOLUTION, DEFINE LOADS, APPLY, STRUCTURAL, en los submenús que
nos aparecen podemos elegir aplicar desplazamientos y fuerzas para
nuestro modelo.
La fuerza que se le aplicara a nuestro amortiguador es el de una
persona promedio de 75 kg y el peso de la motocicleta de igual valor,
con un factor de seguridad de 1.5 dividido entre los dos debido a que
una motocicleta de este tipo cuenta con dos amortiguadores.
Aplicamos la fuerza en la parte inferior del amortiguador y en el resorte
siguiendo los comandos FORCE/MOMENT, ON KEYPOINTS dándole la
dirección en el eje z pero con valor negativo para que lleve a cabo la
acción de comprimir el amortiguador.
Figura 34. Fuerzas aplicadas.
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Se restringen los desplazamientos en la parte superior del resorte y del
vástago de tal forma que quede totalmente restringido, ALLDOF y en la
parte inferior del resorte solo permitiendo desplazamiento en el eje z.
3.2 SIMULACIÓN.
Procedemos a la solución del modelo, SOLVE, CURRENT LS.
Figura 35. Solución del modelo.
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Imagen que muestra los desplazamientos máximos del resorte.
Figura 36. Desplazamientos máximos del resorte.
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RESULTADOS
Para mostrar los esfuerzos máximos, utilizamos los menús Main Menu,
General Postproc, Plot Results, Contour Plot , Nodal Solution.
Figura 37. Lista de tipos de esfuerzos.
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Figura que muestra los esfuerzos máximos en el resorte.
Figura 38. Esfuerzos máximos en el resorte.
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CONCLUSIONES.
Se obtuvo un resultado parcial del análisis del amortiguador debido a
que se tomaron con fines de simplificación del análisis el vástago y el
cilindro como elementos sólidos, concentrando el análisis en el resorte;
lo cual nos llevó a demostrar que con el esfuerzo máximo al cual se verá
sujeto el resorte, está dentro de los márgenes de seguridad y soportará
las cargas que se le apliquen durante su uso.
Para llegar a buen fin este proyecto se ha utilizado herramientas que
actualmente son de uso habitual en la industria. Técnicamente, se ha
comprobado que el proceso de diseño es un conflicto constante entre
dos factores, entre los cuales debe encontrarse un equilibrio, por
ejemplo: peso–rigidez, precio–materiales óptimos, etc.
En el proyecto se profundiza en el mundo de las motocicletas desde un
punto de vista técnico, desarrollando cuales son las cualidades prácticas
y reales que se buscan en un sistema de suspensión y lo difícil que
puede ser seleccionar cualquier componente como queda reflejado en
las pequeñas diferencias entre ciertos parámetros.
Se propone el modelado de la suspensión, analizándola ante
determinados esfuerzos que simulan una aceleración estipulada,
obteniendo los desplazamientos máximos.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
[1] Tony Foale: “Motorcycle handling and chassis design: the art
and science”. Second edition. March 2006. ISBN: 84-933286-3-4.
[2] Arias-Paz Guitian, Manuel: Motocicletas. Madrid: Ed. Dossat. 32ª
edición. Año 2003.
[3] COCCO, Gaetano: Motorcycle design and Technology. Milán:
Giorgio Nada Ed. 1999.
[4] POLUCCI, Giuseppe: Dimensionamento di un telaio di
motocicletta. Roma: Universitá degli studi di Roma, La Sapienza, 2005.
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Página 57
LIGAS WEB.
[1] “Blog de David Sánchez sobre motocicletas, tecnología, diseño y
competición.”: http://www.bottpower.com (último acceso 02/10/2013).
[2] Web de artículos sobre motocicletas de competición
http://motoracerx.wordpress.com/ (último acceso 27/09/2013).
[3] http://www.aprilia.com (último acceso 06/09/2013).
[4] http://www.autoglobal.com/historia/aprilia (último acceso:
26/09/2013).
[5] http://www.slideshare.net/romeliamp/resorte-o-muelle-helicoidal
(último acceso 01/10/2013).
[6]http://www.hmwire.com/New%20PDFs/AISI_1050_Carbon_Steel_Wi
re_Alloy.pdf (último acceso 30/09/2013).
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ANEXOS.
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