1. Educación

ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA
11
L
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO BAJO
d
e
CARGA DE UN CHASIS PARA TRANSPORTE DE
o
PASAJEROS POR MEDIO DE LA TECNOLOGÍA
e
DE ELEMENTOS FINITOS EN LA EMPRESA
EQUITEL CUMANDES S.A
e
c
y
d
p
[
r·
s
f¡
u
RIC8fdo Augusto Ríos linares'. Jaime AJbeno Parra Plazas'
ROidan Femey Ro¡as Hurtado. David Mantilla Nova'
I¡
s
l
fractura, temperatura. elementos finitos. Solid Edge,
RESUMEN
El desarro llo del proyecto se basa en el estudio
del comportamiento estructural de un chasis para
transporte de pasa¡eros. sometido a cargas estátic as
Ansys WorkBench.
(
r
e
ABSTRACT
y de fatiga, por medio del Método d e los Elementos
The development of this pro¡ect is based on the study
Finitos utilizando el Software Ansys WorkBench,
i for passengers
of the structural behavi or of a chasss
habiéndose dibujado la geometría en el software
transport, subjected to static and fatigue loads. by
(
Solid Edge®.
means of finite elements metod (FEM) using Ansys
t
Workbench, drawing the geometry with SolidEdge®.
�
El ob¡ eto de estudio es determinar si las partes del
e
chasis superan las condiciones de diseño a las que
van a estar sometidas en Colombia, permitiendo
The st udy object is know lf the chassis parts over­
t
tramitar la respectiva homo logació n en el Min isterio
come the design conditions In Colombia for the trans­
de Transporte e Importación colombiano.
ports and economical subjects .
e
1
e
PALABRAS CLAVE
KEYWORDS
e
Chasis, carrocería. esfuerzo. deformación, fuerza,
Structural, static. fatigue. FEM, SolidEdge, Ansys
tensión, compresión , fat iga, flexión, modulo elástico,
WorkBench.
16 de 2007.
Fecha de recepción del artículo: Marzo
Fecha de aceptación del artículo: Abril
19 de 2007.
lng, Mecánico.candidato a Ma¡¡1ster en elementosfinitos. Oepartamentode lnvesugac16n. Facultad de Ingeniería. Universidad
Llb<e, Bogotá. o.e.
lng. Mecáníeo. Especialista en Automauzación lndustnal. Cend1dato a Magíster en ln¡¡enlri&-Automatización lndustnal.
Departamento de lnves11&11ción Facultad de lngenieria. Unrversidad Lib<e, Bogotá, O.e.
Univel'Sldad Nacional de ColOmbia.
Colombia.
'
74
Auxiliares de investigación. estudiantes lng. Mecánica, Universidad libre, Bogotá,
AVANCES Investigación en lngen leria 2007 No. 7
•
O.e.
¡
de amarre para los diferentes sistemas del vehículo.
INTRODUCCIÓN
La investigación
es
de tipo cuantitat ivo descriptiva,
debido a que el objetivo está claramente estipulad o yse
cuenta con los instrumentos de medición necesarios,
obteniendo la información con la cual se va a realizar
el modelam1ento por medio de herramientas CAD y
CAE. una de las tareas fundamentales del ingeniero
consiste en el dis eño. estoes. la aplcación
i
de teorías
y normas q ue permitan la predicción cuantitativa
del comportamiento de un sistema mecánico para
proceder a su construcción.
Dada la necesidad del transporte automotor. se
realizó el estudio del comportamiento del chasis
sometido a cargas de tensión. compresión, flexión y
así como el de proteger al conductor frente a la
colisión. Los diseños rara vez se someten a tensiones
del orden del esfuerzo último. Lo determinante es
la no deformación o, en otras palabras. la rigidez. El
chasis debe ser rígido para deforma rse poco y así no
alterar las características d e la conducción.
La construcció n de un chasis es el compromiso entre
la rigidez. el peso y el espacio. todo ello teniendo
en cuenta el costo final. Deben considerarse la
resis tencia estática y la fatiga, la establhdad d e los
miembros estructurales. la capacidad de carga de
las uniones. la f abricación y el montaje.
fatiga. por medio del análisis asistido por computador,
utilizando herramientas computacionales como el
SolidEdge® y el Ansys Workbench® y evaluando
las condiciones de diseño a las cuales van a estar
sometidas en Colombia.
1. CHASIS DE VEHÍCULOS
Debido a que el chasis es un elemento complejo, se
requier e un estudio es pec i al desde el pu nto de vista
de diseñ o geométrico al que. por otra parte, se le
añade la complejidad debida al carácter estocástico
de las cargas que actúan sobre él. Para su estudio
se hace necesario el empleo de modernas técnicas
de análisis numérico y me dición experimental. Las
técnicas de análisis permiten e le var la rigidez de la
La infor mació n referente a los pesos que soporta la
p arte trasera del bast idor.
carrocería del autobús son obtenidas de una empresa
Sobre e l chas is se apoyan d irecta o indirectam ent e
todos los conjuntos u órganos de trabajo que
conforman el vehículo. El chasis debe resist ir y tener
1.1 PESOS Y CAPACIDAD DE LA CARROCERÍA
e nsamblador a de buses en Bogotá.
Tabla 1. Pesos y capacidades de la carrocería.
la rigidez suficiente para soportar las cargas máximas
que aparecen durante el traba¡o del vehículo. Para
determinar estas cargas. se realiza n las pruebas en
í
re g menes extremos de funcionamiento. que si bien
a lo largo de la vida del vehículo no ocupan gran parte
de la misma, provocan grandes esfuerzos debidos a
la acción de las fuerzas de inercia de las diversas
masas. Estos r egím enes extremos que aparecen.
fundamentalmente en los desplazamientos de la
máquina, se tienen en cuenta en los cálculos de
P esos y
Capacidades
Peso enet eje delantero a vacío sin
carrocería
16601<¡.
Peso enel eje post erior a vaóo s in carrocería
1010 kg,
Pesoa va ío
c
2670 kg.
carga máxima en el ej e del a ntero
3000 kg.
ga máxima en el eje
car
5500 kg.
posterior
Peso bruto total ( PBD
capacid ad m áxima de ttacclón
8500 kg.
10000 kg.
r es istencia. no considerándose los mismos para los
cál culos de fiabilidad o durabilidad.
2. ETAPA DE MODELAMIENTO 3D
Un chasis se podría definir como una estructura cuyo
Como primera medida, se procedió al modela miento
propósito es el de conectar rígidamente la suspensión
inicial de las diferentes geometrías constitutivas
del chasis, proceso largo debido a lo irregular de
delantera y la trasera y al mismo tiempo ofrecer puntos
AVANCES Investigación en Ingeniería· 2007 No. 7
75
las mismas, así como a la dificultad en la toma de
Figura 3. Detalle de la parte delantera del chasis
medidas al encontrarse el conJunto armado. Debido
corregido en una vista lateral.
•
a esto , se presentaron algunos errores en el montaje
del conjunto en Solid Edge, lo que hizo necesaria una
•
reevaluación de las geometrías y de las dimensiones
tomadas anteriormente.
•
2.1 DETALLES NUEVOS Y MEJORADOS
Se efectuaron cambios drásticos en la forma de todas
4
las piezas, acercando su geometría a la realidad del
modo más fiel posible, con alta calidad de definición
geométrica y siguiendo parámetros de fabricación
L
para entender y modelar más exactamente su forma.
p
Los cambios más significativos se encuentran en
e
los largueros principales. en los cuales se realizó un
te
replanteamiento total de la configuración geométrica.
c
respetando
(•
obviamente
la posición original
de
todos l os agujeros y otras formas generales para no
entorpecer la forma final del chasis, lo cual es un
parámetro de entrada erróneo en el momento de la
simulación de elementos finitos. Consecuentemente,
estos resultados estarán muy alejados de la realidad
y no tendrán ninguna validez técnica.
Se presenta una serie de imágenes representativas.
las cuales darán una mejor idea de los cambios
realizados.
La Figura 3muestra un detalle de la parte delantera. En
ella se puede apreciar cómo los largueros principales
finalizan con una leve inclinación hacia abajo, en la cual
ambos planos de dirección . Esta nueva configuración
es más acorde con el modelo real. permitiendo un
u
mejor modelamiento por elementos.
c
Se puede co ncl u ir. de acuerdo a la figura, que los
agu¡eros son perfectamente perpendiculares a las
caras de perforación.
3. RESULTADOS DE LA SEGUNDA FASE
DE MODELAMIENTO
suave y continuo a lo largo de todo el perfil. teniendo
en cuenta los parámetros de fabricación de estos
largueros.
Los resultados para esta parte son muy positivos en
muchos aspectos por:
Los chequeos de superficie continua como " líneas
Figura 2. Detalle de larguero en la zona delantera.
de cebra" son positivos, es decir, que no existen
dentro de los largueros superficies no tangentes
entre sí.
•
Todas las piezas ensamblan con absoluta precisión
en cuanto a correspondencia entre agujeros. caras
coincidentes , entre o tras .
•
La revisión de interferencias da un total de
·cero· interferencias. lo que permite exportar con
tranquilidad el ensamble al software Ansys.
•
El aspecto estético 1nd1vidual y del conjunto se
mejoró en un ampho margen.
•
Es posible crear
segundad
representaciones con
como
imágenes
AVANCES Investigación en Ingeniería • 2007 No. 7
completa
renderízadas
animaciones de vistas explosionadas .
76
(1
existe completa transición entre una sección y otra en
En la Figura 2 puede observarse la transic ión d e una
sección mayor a un a sección menor con un cambio
e
y
•
Se min i mizan los errores cometidos en la fase
del comportamiento de un sistema mecánico para
de levantami ento de planos y de modelam1ento
proceder a su diseño eficiente.
1nic1ales
•
Cua lqu ier cambio en una de las piezas informará
automáticamente que hay que reformar otras.
con la ventaja de la asociat1vidad.
•
Para ello. debe hacer uso de conceptos de física y
matemática. además de elementos relacionados
con el estado del arte de una apli cac i ón en
particular. para formular un modelo matemático del
Todos los elementos de sujeción son estándar y
si stema en consideración. Dicho modelo no es más
no creados Por el dibujante.
que un sistema de ecuaciones cuyas in cógnitas
representan magnitudes de i nte rés tecnológico que
4. ASPECTO FINAL DEL MODELO ANTES
DE SU EXPORTACIÓN A ANSYS
Las Figu ras 4 y 5 son el resultado de un proceso lento
pero productivo el cual no hubiese sido posib le sin el
cambio oportuno de software. Este pe rmiti ó corregir
todos los problemas y crear nue vas soluciones. las
cuales derivaron en un sig nificati vo ahorro de tiempo
permiten describir el comportamiento del objeto
bajo análisis.
Consecuentemente. para llevar a cabo la predioc1ón en
símisma, el ingen i ero debe resolver cuantitativamente
las mencionadas ecuaciones
para
dedicarse. a
continuación. a la interpretación técnica y al análisis
de l os resultados.
(40% menos). es decir. esta parte tuvo un costo
en tiempo de dos meses y me di o. con resultados
realmente sorprendentes en todos los aspectos.
involucran problemas de contorno gobernados por
5. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Pueden cita rse el estudio estructura 1 de a utomóviles ,
En muchas situaciones, los modelos pertinentes
ecuaci ones
Una de las tareas fundamentales del ingeniero
consiste en el diseno. la predicción cua ntitativa
Figura 4. Modelo final antes de su exportación.
diferenciales
a
derivadas
parciales.
,
aviones, puentes, o el análisis de campo de ftujo de
calor en componentes de máqui nas. Hujo de fluidos.
etc.
Para este modelo, el principal inconveniente fue
el costo computacional al ser el modelo un sólido
tridimensional, hecho que incrementó notablemente
el número de elementos y n odos. así c omo el
número de ecuaciones que se debían resolver.
Por tal razón. la solución fue analizar la geometría
como una sup erfici e y en Ansys enmallar utilizando
.
elementos sólidos. de manera que e l número de
nodos disminuyó considerablemente. facilitando
así el análisis.
6. RESULTADOS
Figura s. Ensamble completo.
Los resultados presentados a continuación están
organizados Por orden de relevancia. para deducir
las conclusiones pertinentes acerca de los mismos y
recomendaciones para su correcta interpretación.
6.1ENTORNO
•
El tipo de simulación es un aná lisis estático.
•
El tipo de modelo es lineal estructural.
El entorno contiene todas las cargas y condicione s
definidas para el modelo en este escenario.
AVANCES Investigación en Ingeniería· 2007 No. 7
77
6.1.1. Gravedad estándar de la tierra
Magnitud: -9.806.65 mm/s2 en el eje Z.
6.2. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS
El factor de seguridad en el punto máximo de esfuerzo
es de 2.4, lo cual es relativamente bueno en términos
estáticos. pero no tanto en términos de ratiga.
Fugura 7. Detalle de esfuerzo en el punto máximo.
Los resultados a analiza r son: el esruerzo equivalente
y el factor de seguridad, para el c ual con el ánimo
,
de obtener un a mayor aproximación en el resultado,
se procedió a hacer refinamientos de m a lla, revisión
de cargas. pruebas de fatiga y demás arreglo s
geo métri cos que prete nd en acercar más a la realidad
los fenómenos que aqu i s e an alizan
.
.
Como se pudo observar en la figura 6, los esfuerzos
máximos se concentran en la zona trasera muy
cerca del sitio predicho en los cálculos manuales de
resistencia.
Estos esfuerzos se deben a una carga distribuida
que pertenece al peso de toda la carrocería. cuya
condición exige al máximo en esta z ona .
Comparando el factor de seguridad obtenido por el
cálculo manual con el factor obtenid o por el análisis
Figura 8. Fac t or de seguridad a ratiga.
··­
-·-··-
de elementos finitos. se nota un a diferencia en lo que
se refiere al punto superior del larguero sometido
al momento tlexionante de la carga cortante en la
sección correspondiente al plano vertical que pasa
por el e¡e trasero del chasis
.
Dicha diferencia es de alrededor 1.5 veces mayor. sin
embargo la zona de máximo esfuerzo se encuentra
muy cerca en una zona inferior del larguero derecho.
donde se encuentra también una platina de unión,
más exactamente en un agujero.
Figura 6. Esfuerzo equivalente.
Figura 9. Resultados del factor
de seguridad en el soporte .
..
78
AVANCES lnvestlgac16n en Ingeniería. 2007 No. 7
Figura 10. Resultados del
factor de segundad en la Lu neta.
No se incluyeron en este anáhs1s modelos que
Sii.,,_
,._ J»llJ t D
1111!11PP :l .O
permitieran representar defectos de fabricación y
.....
ensamble. para que fuera un poco más sencillo . En
posteriores análisis se irá incrementando el grado de
complejidad del modelo. para abarcar todos aquellos
tópicos que han quedado e�cluidos en este análisis.
-
6.4. RESULTADOS DE ANÁLISIS DE LOS MUELLES
Como ejemplo. en las Figuras 9 y 10. se puede
apreciar los valores obtenidos para los factores
·-
de seguridad de dos componente s del grupo de
los muelles. los cua le s han sido analizados por
separado del conjunto general, aplicando las cargas y
restricciones de manera tal que se recrea totalmente
las condiciones de trabajo de las mismas.
6.3 RESULTADOS DEL ANALISIS POR FATIGA
Estos resultados son de gran importanci a , debido a
que graci as a ellos se puede predecir en qué momento
va a fallar el elemento bajo las condiciones actua les .
cabe anotar que la carga no es totalmente alternante,
y que su amplitud varía de acuerdo a las condiciones
CONCLUSIONES
Se presentan diversas metodologías utilizadas para
el análisis de las estructura s de vehículos pesados.
viéndose cual ha sido la evolución en la utilización de
estas herramientas y su tendencia futura.
impredecibles de trabajo a la cual va a estar sometido:
Se trabaja c on diversos modelos que t rat a n de prever
cantidad de pasajeros en cada recorrido, duración
el comportamiento real del vehículo en c arretera y
del r ecorrido, c ondic ion es ge og ráficas y de carrete ra,
cuidados
(control
control
al
conducir.
de la
sobrepeso, mantenibilidad
corrosión.
control de
de t e mp er at u ra s que
vibr aciones,
puedan
influir en
termofluenc1a).
Todas estas variable s. cuyo valor e s desconocido. se
han tratado de incluir por medio de la disminución del
i tenca
i a la fatiga (Kf). el cual reduce la
factor de ress
resistencia correg¡da a l a fatiga de matenales dúctiles.
de conocer, de este modo, cuáles son las solicitudes
más desfavorables a las que se encuentra sometido.
a partir de las cuales se realizará el diseño futuro.
Se simplificó el modelo geométrico. al obviar los
componentes secu nd arios (filtros. manguera s. etc.).
r eempl azándolos por sus efectos físi cos mediante la
utilización de fuerz as r emotas.
En el modelo de elementos finitos. se redujo el
Dicho factor también llene en cuenta el factor (Kc) que
modelo sólido en 30. a un modelo de superficies
es el factor de concentración de esfuerzos bajo carga
para reducir el número de nodos. y así mismo. el
estática.
coste computacional.
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