Diseño y tipos de chasis

Diseño de Chasis para vehículos de competición

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La razón de ser de un chasis Historia del chasis Los tipos principales de chasis Materiales E t di d Estudios de caso Procedimiento para el diseño de un chasis Clarificación de normas de jaula antivuelco.

La razón de ser de un chasis • Conectar las cuatro ruedas • Estructura rígida g • Recibe todas las cargas g • No importa el vehículo el chasis solo es un medio • Ubicar e unir

La razón de ser de un chasis • El chasis es el ultimo elemento en ir a la tabla de dibujo • Debe ubicar todos los componentes en la posición mas ventajosa – Distribución Di t ib ió d de masas – Flujos de cargas

La razón de ser de un chasis • En orden descendiendo de magnitud las cargas del chasis son: – Suspensión trasera – Suspensión delantera y dirección – Alerones – Motor y caja de cambios – Tanque de combustible – Asientos y ocupantes – Columna de dirección – Batería – Radiador

La razón de ser de un chasis • La ubicación de estos componentes debe definir el diseño del chasis • Especialmente los puntos de anclaje de la suspensión p – Delantera – Trasera

• El numero de fuerzas depende directamente del tipo de suspensión utilizada

La razón de ser de un chasis •

Anclaje del motor – El ensamble bl motor/caja t / j se d debe b anclar en al menos tres partes – Dos delante del motor y una por debajo o encima de la caja.

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El diseño del montaje debe complementar el chasis Entre mas separados estén los puntos de anclaje menores las cargas transmitidas al chasis. Es importante tener bien definidas las líneas de flujo de carga entre el motor y los anclajes de suspensión, delanteros y traseros.

La razón de ser de un chasis • Los montajes j de componentes pequeños es ignorada en las primeras fases del diseño • Pero se debe tratar de considerar el máximo á i d de componentes. • Ubicación de batería

La razón de ser de un chasis • Estructura perfecta – Tratar de que todos los componentes estén ubicados de la manera mas rígida p posible. – En caso de chasis tubular: • Cercha isostática • Cargas de tensión/compresion

Historia del chasis • Chasis primitivo mas apto para construir puentes • Son rígidos solamente en flexión • Antes de la segunda guerra mundial los chasises h i eran d de tipo i larguero

Historia del chasis • 1934 Auto Union (Audi) primer chasis de tipo escalera. – Dos tubos paralelos de sección ió redonda. d d

• Al final del mismo año Mercedes lanzo un chasis con la misma configuración – Tubos de sección cuadrada d d

• Referencia hasta los años 50

Historia del chasis • En 1952 aparecieron p dos chasises de tipo cercha en el espacio – Lotus Mk. Mk 6 – Mercedes 300 SL

• El éxito lo llevo a ser muy ampliamente utilizado • Además se adapto para vehículos de calle – Puertas

Historia del chasis • En 1962 se lanzo el Lotus 25 • Primer chasis de tipo p monocaso o monococo • Quiere decir que chasis y carrocería son la l misma i cosa

Historia del chasis • Este tipo de chasis se adapta muy bien a las necesidades de un monoplaza – Estructuras delantera y central – No así para compartimiento del motor

• No se aconseja utilizar el motor como elemento que aporta rigidez al chasis

Chasis en escalera o bitubo • Los constructores han mostrado a través del tiempo la eficiencia en torsión de los perfiles tubulares sobre b llos llargueros en I • EL chasis mas sencillo es el chasis de escalera o bitubo

Chasis en escalera o bitubo • Este tipo de chasis consiste en dos d vigas i d de sección ió tubular laterales, unidas por refuerzos transversales, diagonales g o los dos. • Estos refuerzos entregan rigidez en torsión y permite fijar los componentes. • El material mas común para este tipo de chasis es tubería de 3” o 31/2” calibre 16 • Soldada con electrodo revestido o gas.

Chasis en escalera o bitubo • Pesado • Falto de rigidez torsional • Durable • Fácil de realizar • No sufre daños graves en accidentes • Los componentes mecánicos son de fácil acceso

Chasis en escalera o bitubo • Une vez se ubican el motor, la caja y el asiento del pasajero es fá il d fácil determinar t i lla posición de los tubos. • La rigidez en torsión no varía mucho con estos tubos y depende principalmente de la sección de los mismos

Chasis en escalera o bitubo • Es importante p q que los soportes de la suspensión delantera sean muy rígidos y alimenten las cargas al chasis de manera adecuada. • Deben incluirse mamparos para soportar timón y sistemas s ste as de d direccion ecc o

Chasis multi tubular • En teoría el termino multi tubular podria referirse a cualquier chasis • Sin embargo en la practica se refiere a un chasis que tiene cuatro miembros l t l y poca o laterales ninguna triangulación entre e t e estos

Chasis multi tubular • Generalmente un chasis de este tipo de chasis tiene una baja eficiencia estructural • Sin embargo son mejores que los chasises en escalera y su producción cuesta menos que la cercha completa completa.

Chasis multi tubular • Se requieren tubos con un diámetro relativamente importante. • Se requiere mucha atención a las juntas soldadas. • Se S debe d b iincluir l i ciertas i diagonales para rigidizar

Chasis multi tubular • La accesibilidad a los componentes es mas difícil que en un chasis escalera pero es muy escalera, dependiente del diseño. • La L d durabilidad bilid d d depende d del peso pero las cargas g de flexión en juntas soldadas lo hace frágil.

Chasis multi tubular • El área que mas afecta la rigidez de este tipo de chasis es el área del piloto ya que es prácticamente i imposible ibl utilizar tili diagonales.

Chasis cercha • Por definición una cercha en el espacio es una estructura isostática • Las juntas podrían ser reemplazadas por rotulas haciendo que las cargas en todos los miembros sean de tracción / compresión

Chasis cercha • Es uno de los chasises mas eficientes desde el punto de vista estructural • Es ampliamente rígido en torsión y en flexión

Chasis cercha • Un chasis cercha ideal consistiría de una caja rectangular con diagonales en todas sus caras diagonalizadas. • Sin embargo g este tipo p de chasis es imposible, • Por esto el chasis se parte en 3 o 4 sub marcos donde se intenta realizar cerchas.

Chasis cercha • Los costos de fabricación y el diseño de matrices para la soldadura del chasis son altos, sin embargo b lla materia t i prima es mas económica. económica

Chasis cercha • En el diseño de vehículos de competencia la accesibilidad es igual de importante a las prestaciones estructurales. estructurales • Se debe poder cambiar los componentes p con la mayor brevedad posible

Chasis cercha • Este chasis es muy durable porque las cargas son axiales • Su principal razón de falla es la corrosión interna de los tubos. • se deben sellar los i interiores i d de llos tubos b para evitar la entrada de humedad humedad.

Chasis cercha • La resistencia a los impactos es buena ya que las cargas van siendo absorbidas progresivamente por l dif los diferentes t compartimientos.

Monocasco o Monococo • El principio del monocasco se basa en que las cargas son absorbidas por la piel • Su inspiración es natural, proviene del huevo donde la cascara es altamente eficiente.

Monocasco o Monococo • Las primeras p aplicaciones en ingeniería fueron en la aeronautica • Consiste en un chasis creado a partir de l i laminas fifinas, utilizando tili d las mamparos de soporte p q que p permiten transmitir las cargas a la piel

Monocasco o Monococo • Desde el p punto de vista de torsión el monocasco ideal consiste en un tubo redondo donde se tapan p las dos caras. • Sin embargo en la practica la mayoría de los monocascos se basan en secciones rectangulares ecta gu a es a amplias p as

Monocasco o Monococo • Si el diseño estructural es el correcto, se pueden diseñar chasis con espesores de lamina muy bajos b j 0 0.8-1mm 81 • Soporte de motores del DeHaviland Comet Acero calibre 26 en monocasco

Monocasco o Monococo • Es mas eficiente estructuralmente que una cercha • La accesibilidad depende del diseño y de la rigidez deseada • Se realizan con mucho h é éxito i utilizando materiales compuestos

Materiales • Los dos factores principales a tener en cuenta a la hora de realizar la selección de materiales son la idoneidad del material para la función y el costo • Monocasco M en llamina i • Monocasco en fibra o madera

Materiales • Para la fabricación de chasises tubulares, existe una gran variedad de aceros. • SAE 4130 Cromo Molibdeno • Acero al carbono SAE 1010 1020 T 1010-1020 Tubería b í estructural

Materiales • En un chasis cercha,, debido a la naturaleza de las cargas, el uso de acero al carbono es completamente aceptable • Sin Si embargo b en un chasis tipo escalera o miltitubular,, se recomienda el uso de un acero mas resistente. resistente

Soldadura de arco vs. Soldadura autógena •

Soldadura de arco – C Consiste i t en generar un arco eléctrico que funde un metal de aporte – El enfriamiento es generalmente rápido y genera fragilidad en la pieza reduciendo su duración de vida en fatiga. – Es un proceso altamente conocido id – La mejor forma de soldadura de arco es el TIG – Permite rellenar espacios

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Soldadura Autógena de bronce o latón – Consiste en fundir el bronce o latón hasta su temperatura de liquidus. – posteriormente este se aplica a la junta. – Las juntas tienen una resitencia similar a las juntas soldadas sin tener los p problemas de fragilidad. – Se debe tener tolerancias muy precisas entre las piezas a unir – La limpieza de las mismas j juega un roll ffundamental. d t l – Este procedimiento debe ser realizado por un experto

Placas de refuerzo estructural • En caso de utilizar un chasis de tipo cercha o multitubular, se recomienda recubrir la parte exterior y el piso de este en una p lamina delgada que puede ser remachada al mismo mismo, aumentando aún mas la resistencia rigidez.

Manejo de las juntas en la tubería • Las juntas de tubería deben ser muy precisas i a lla h hora de unirse, para minimizar la luz y por ende la cantidad de soldadura requerida. q • Se debe además incluir refuerzos (pie de amigo) en las juntas mas débiles de la estr ct ra estructura. • Para la fabricación de las juntas se recomienda el programa WINMITER que permite imprimir un desarrollo de la intersección en escala 1:1

El uso de materiales compuestos • • •

Los materiales compuestos se adaptan principalmente a la fabricación de monocascos. Esta es la forma de construcción mas utilizada en la competición de hoy Consisten en una matriz – – –

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Y un refuerzo – – – –

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Poliéster Vinilester Epoxica Fibra de carbono Fib d Fibra de vidrio id i Kevla Fibra de boro

Para utilizar los compuestos como parte estructural se recomienda utilizar estructuras t t de d tipo ti sándwich á d i h que ubican bi un material de alta resistencia al corte entre las dos laminas de compuesto. – – –

Honeycomb Espumas M d Madera

El uso de la madera • La madera es un material compuesto t – Celulosa – Sabia

• L La madera d correcta t es mas eficiente que el acero y el aluminio • Se S han h realizado li d chasises en contraplacado (triplex) con mucho éxito éxito. • Tiene el problema que no se buena resistiendo el calor y la humedad humedad.

Chasis de Monopin • Es un vehículo de tipo p monocasco en aluminio. • Su S diseño di ñ es simple i l y el chasis tiene un peso muy bajo (carro completo 295Kg) • Se fabrico en lamina de aluminio calibre 18 y remaches pop de 5/32 5/32”

Chasis de Monopin • También incluye mamparos fabricados en tubería cuadrada de 1” que son remachados a la l i lamina. • La estructura forma, la carrocería carrocería, la celula de supervivencia y el chasis

Chasis de Monopin

Gould Terrapin • Chasis en cercha • Fabricado en dos partes p p para facilitar acceso al motor • Cercha reforzada con lamina de aluminio remachada • Chasis muy liviano y eficiente

Gould Terrapin

Procedimiento de diseño de chasis • Inicialmente se ubican en el espacio los diferentes componentes del vehículo. • Así se garantiza la di t ib ió correcta distribución t d de masas • Se recomienda también definir rutas de acceso a componentes

Procedimiento de diseño de chasis • Posteriormente se realiza un primer bosquejo de chasis. Que aparentemente tenga un alto grado d rigidez. de i id

Procedimiento de diseño de chasis. • Posteriormente se realiza un analisis de rigidez torsional. Se empotra la parte trasera del chasis y se aplica p un torque q en la delantera. • Objetivo: 10 veces la rigidez i id d de lla suspensión mas rígida. g da

Una manera curiosa de optimizar • A veces no se cuenta con los recursos para optimizar un chasis a partir de muchos análisis diferentes de elementos l t fi finitos. it • Existe una manera mas practica de realizar esta optimización

Verificación de cargas puntuales en apoyos • Una vez se esta satisfecho con la rigidez del chasis en torsión se dimensionan torsión, los puntos de anclaje y se verifica su resistencia. resistencia • IMPORTANTE!!!! – Los carros de carreras se diseñan en busca de la rigidez no de la resistencia

Normativa para el diseño de la jaula antivuelco

Peso del vehículo Hasta Entre 681.2 y Mas de

Tipo de tubería Diámetro 1 3/8 “ espesor 2mm Diámetro 1 3/8 “ espesor 2.5mm Diámetro 1 ½ “ espesor 2.5mm