³análisis del proceso de diseño y fabricación del chasis tubular...

MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

Tema A1a.Diseño Mecánico: Diseño asistido por computadora.

“Análisis del proceso de diseño y fabricación del chasis tubular para Vehículo Fórmula SAE”

Milton Sael Cuellar Yañeza, Marcelo López Parrab, Osiris Ricardo Torresc

Unidad de Alta Tecnología, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México Campus Juriquilla. Fray Antonio de Monroy e Hijar y

Villas del Mesón, número 260, Juriquilla, Querétaro C.P. 76230, México

Autor contacto. correo electrónico: [email protected] a, [email protected] b , [email protected] c

R E S U M E N

Este trabajo presenta un estudio acerca del chasis tubular para un vehículo Fórmula SAE atendiendo la normatividad de

diseño establecida por SAE International, la cual indica las características y partes que lo deben conformar. El análisis

realizado se centra en las labores de modelado computacional y su relación con el proceso de fabricación. La estructura

del chasis que se expone consiste en perfiles tubulares cortados, en algunos casos doblados, que se unen por medio de

soldadura. Actualmente las plataformas de diseño asistido por computadora incorporan módulos para diseñar piezas

soldadas. En este estudio se expone una serie de recomendaciones para un correcto modelado del chasis y las ventajas

que se pueden conseguir dentro de los procesos de diseño y fabricación. Finalmente se exponen los procedimientos de

corte y soldadura empleados en la manufactura de este componente del vehículo, así como las posibles ventajas de un

correcto modelado en la fabricación.

Palabras Clave: Chasis Tubular, modelado, corte, soldadura.

A B S T R A C T

This paper presents a study concerning the tubular chassis used in formula SAE vehicles. The design regulations

established by SAE International which include the characteristics and components that must be used in the vehicle are

discussed. The analysis focuses on computational modeling and its relationship with the overall manufacturing process.

The chassis structure analyzed consists of curved and straight steel tubular profiles which are joined by welding processes.

Currently, computer assisted design platforms incorporate several modules to help in the design of welded parts. This

study presents a series of recommendations for an improved modeling of the chassis and the advantages that can be

achieved within the design and manufacturing processes. Finally, the cutting and welding procedures used in the

manufacture of the vehicle are reported.

Keywords: Tubular chassis, modeling, cutting, welding.

1. Introducción

El chasis, llamado también bastidor o marco, es una de las

partes principales del automóvil. Tiene como función

principal conformar una estructura rígida que conecta los

componentes del vehículo, salvaguarda al piloto (o

tripulación), proporciona los puntos de anclaje para las

suspensiones tanto delanteras como traseras, así como los

arcos de seguridad y los soportes del motor, tal y como se

muestra en la figura 1. Conforme la evolución del automóvil,

el chasis ha presentado variantes en su diseño y fabricación,

por lo cual hoy en día existen diferentes tipos y formas.

Un tipo de chasis es el espacial tubular que consiste en

una estructura muy estable cuyo principal objetivo es

proteger la integridad física del piloto y evitar que la

carrocería se deforme en caso de un accidente o colisión. La

desventaja de este chasis está en sus altos costos de

fabricación, pero tiene la ventaja de ser mucho más rígido

que otros tipos de bastidores. Debido a la complejidad de su

diseño y fabricación, no es rentable para la producción en

masa.

Figura 1- Ejemplo de chasis tubular [8].

Los bastidores espaciales tubulares son construidos y

diseñados principalmente para autos de carrera. Los autos

deportivos de alta gama utilizan este tipo de bastidor, el cual

se puede ver en marcas como Lamborghini, Ferrari y Jaguar,

además de algunas otras compañías y modelos como por

ejemplo TVR Manufacturing Limited, el Ariel Atom

ISSN 2448-5551 DM 46 Derechos Reservados © 2018, SOMIM

mailto:[email protected]%20a

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]


(mostrado en la figura 2) fabricado por la compañía Ariel

Motor Company, el Renault Twizy y el Acura NSX.

Figura 2- Vehículo Ariel Atom [9].

Entre las competiciones que emplean este tipo de chasis

en sus vehículos, se encuentra Fórmula SAE. Los vehículos

para esta competencia son del tipo monoplaza y los aspectos

más importantes a considerar a la hora de diseñarlo son el

peso, la rigidez y la altura del centro de gravedad. Además,

se deben contemplar las especificaciones dadas por las

reglas establecidas para cada edición de la competencia.

1.1. Acerca de Fórmula SAE

Es una competencia internacional universitaria en la que los

estudiantes deben diseñar, fabricar y pilotar un vehículo

monoplaza tipo fórmula. El equipo de estudiantes debe

organizarse como una empresa donde, además de diseñar y

fabricar un monoplaza ajustándose a unas condiciones

técnicas, es necesario gestionar los recursos disponibles

cumpliendo con unas condiciones económicas y con el fin

de tratar de comercializarlo. De esta manera, entran en juego

las áreas de diseño, producción y compras para fabricarlo,

seguidas de las áreas de marketing y comunicación para su

comercialización. La competencia fue iniciada en 1980 por

la rama estudiantil SAE en la Universidad de Austin Texas.

Figura 3- Formula SAE. Competencia realizada en la UTA

(Universidad de Texas en Arlington) en julio de 2013.

2. Los requerimientos establecidos por Fórmula SAE

A continuación, se presentan los requerimientos

establecidos por SAE Internacional [1]. Todos estos

requerimientos, así como restricciones y características del

vehículo tipo fórmula se establecen en las reglas del

documento vigente [1] las cuales están ordenadas por

apartados de acuerdo con el aspecto a desarrollar del

vehículo.

2.1. Características del vehículo dependientes del chasis

En los autos tipo fórmula, las características del chasis son

muy importantes pues en este tipo de monoplaza destinado

a competición, el peso debe ser mínimo para aprovechar al

máximo la potencia del motor y por eso muchos elementos

que forman parte del vehículo convencional no se

incorporan [1]. Al final, el aporte principal de peso a este

tipo de coches lo ejercen el piloto, el motor y el chasis. De

aquí se deduce que un chasis ligero puede ser un factor

importante de cara al éxito en la competición.

La rigidez es muy importante de cara a la conducción del

vehículo. Un chasis rígido, además de aportar seguridad al

piloto permite que la dirección funcione tal y como fue

diseñada [1].

La altura del centro de gravedad, como se ve en la figura

4, también es relevante para la estabilidad del vehículo.

Durante la competición, el chasis está sometido a

aceleraciones laterales debido a lo revirado de sus circuitos,

por lo que un centro de gravedad bajo garantiza un mejor

desempeño durante la conducción, además de disminuir la

posibilidad de vuelco, que suele ser acompañada en estos

casos [1].

Figura 4- Altura del centro de gravedad [10].

Un requerimiento general del vehículo que se debe tomar

en cuenta durante el diseño del chasis, es la distancia entre

ejes delantero y trasero el cual debe ser de 1525 milímetros

(60 pulgadas).

2.2. Requerimientos del chasis

La normativa de la Fórmula SAE brinda la posibilidad de

diseñar y fabricar dos tipos de chasis: monocasco y tubular.

Concretamente, el chasis es de las partes que están más

restringidas por las reglas de la F-SAE en cuanto a diseño y

por ello no hay muchas diferencias entre uno y otro. Aun así,

existe cierto grado de libertad para los equipos que se

enfocan en la concepción de un diseño propio [1].

El Chasis monocasco consiste en una estructura

superficial, como la mostrada en la figura 5, fabricada a base

polímero reforzado con fibra (FRP) de carbono y resina,

cuyo núcleo puede ser de diversos materiales [1]. La

estructura superficial es en este caso la que soporta los

esfuerzos de los elementos del monoplaza. La complejidad



y el costo de este tipo de chasis es muy elevada y por ello

solo los equipos que tienen la infraestructura y presupuesto

pueden optar por esta opción de chasis. Entre las ventajas

que se tienen con este tipo de bastidor es la reducción de

peso en comparación con la otra opción, pero destaca la

dificultad de acceder al interior del vehículo una vez

construido. Por ello se deben considerar durante el diseño,

un método de montaje y desmontaje que permitan la

accesibilidad a los componentes internos del vehículo. Las

reglas de Fórmula SAE establecen especificaciones para

este tipo de chasis que se deben respetar de cara a la

competición.

Figura 5- Chasis monocasco del equipo de la Universidad ETH

Zúrich.

El Chasis tubular consiste en una estructura te tubos

huecos soldados entre sí, tal y como se muestra en la figura

6, distribuidos en el espacio de forma que sean capaces de

soportar las masas suspendidas del vehículo, así como de

proteger al piloto en caso de accidente [1]. Este tipo de

chasis es el más rentable y factible para fabricar por parte de

los equipos competidores, pero generalmente es más pesado

en comparación con el monocasco. Otra ventaja que tiene es

la fácil accesibilidad debido al espacio entre tubos, aunque

la rigidez conseguida por dichos espacios pudiera tender a

minimizarse. La normativa contempla una serie de reglas

únicas para este tipo de chasis como son: Sección y

espaciado entre tubos, estructura mínima, requisitos de

geometría, etc. Se pueden fabricar chasises tubulares

conforme la normatividad básica y de esta forma no hace

falta demostrar o justificar hasta cierto punto el diseño, o

conforme a una norma alternativa mucho más abierta pero

que debido a esa libertad de diseño deberá ser justificado y

aprobado ante un jurado, demostrando que cumple los

requisitos determinados de tensión y deformación [1].

Figura 6- Chasis tubular para vehículo Fórmula SAE empleado por

la escudería UNAM Motorsports.

Como tercera posibilidad se puede optar por la

construcción de un chasis hibrido [2]. Esto significa que el

diseño podría tener partes de monocasco y partes de tubular.

Muchos equipos escogen esta opción ya que aporta ventajas

de un equipo y otro. Por ejemplo, disminuye muy

fuertemente la dificultad del trabajo de la fibra al efectuarse

solo en una zona del vehículo y permite una buena

accesibilidad a la parte trasera del coche en caso de un

vehículo con frente monocasco y parte trasera de tubular, lo

cual es una característica interesante pues esta zona es donde

se encuentra la transmisión y otros elementos a los que se

debe acceder fácilmente. La figura 7 muestra un ejemplo de

este de chasis.

Figura 7- Modelo de chasis hibrido para vehículo fórmula SAE [3].

Portero Ruiz [3] describe al chasis hibrido como una

estructura formada por una cabina delantera, a la cual se

denomina como cockpit, fabricada con composites

reforzados con fibras y unida mecánicamente a una

estructura tubular metálica en la parte trasera. Esta tipología

de chasis trata de aprovechar las ventajas técnicas que

poseen ambos tipos de estructuras, intentando evitar en la

medida de lo posible las limitaciones que tiene cada una de

ellas tal y como lo menciona Redondo [2]. La fabricación de

la cabina delantera en composites aporta una gran

ergonomía para el piloto, debido a las posibilidades

geométricas que aporta el diseño en este material. Por otro

lado, la fabricación de la estructura trasera en barras

tubulares facilita el soporte de las distintas piezas del bloque

motor, así como la disipación de temperatura en esa zona.

2.3. Requerimientos establecidos para el chasis tubular

En esta sección se muestran las reglas que establecen las

características y métricas que debe cumplir el chasis. A

grandes rasgos son aspectos de material, geometría y

dimensiones de cada una de las partes que deben

conformarlo.

El apartado T (part t - general technical requirements) del

documento 2017-18 Formula SAE® Rules [1]contiene los

requerimientos técnicos generales del vehículo y del chasis.



Tabla 1-Reglas del apartado T [1] referentes al chasis tubular.

Regla Condición o aspecto que aborda

T3.3 Definiciones

T3.4.1 Requisitos de material

T3.10.3 Requisitos generales para el arco frontal y

principal

T3.11 Acerca del arco principal

T3.12 Acerca del arco frontal

T3.13 Acerca de los soportes del arco principal

T3.14 Acerca de los soportes del arco frontal

T3.18 Acerca del tabique frontal

T3.19 Acerca de los soportes del tabique frontal

T3.24 Acerca de la zona de impacto lateral

T4.1 Apertura de la cabina

La tabla anterior enlista las reglas que especifican las

partes que componen al chasis tubular. En la figura 8 se

muestra cada una de ellas y su acomodo para formar la

estructura básica.

Figura 8-Estructura básica del chasis.

La siguiente tabla muestra las definiciones que se

abordan en la regla T3.3 de las partes que conforman al

chasis.

Tabla 2- Definiciones de la regla T3.3 [1].

Núm. Concepto (inglés) Significado (en español)

1 Main Hoop Arco principal

2 Front Hoop Arco frontal

3 Roll Hoops Arcos rolados

4 Frame Member Miembro del chasis

5 Frame Chasis

6 Primary structure Estructura primaria

7 Major Structure Estructura principal

8 Front Bulkhead Tabique frontal

9 Impact Attenuator Atenuador de impacto

10 Side Impact Zone Zona de impacto lateral

11 Node-to-node

triangulation

Triangulación de nodo a nodo

12 cockpit Cabina

De acuerdo con las definiciones [1]:

El arco principal es un elemento tubular situado a los

lados o justo detrás del torso del conductor, el arco frontal

es un elemento tubular situado sobre las piernas del piloto y

próximo al volante, los arcos frontal y principal se clasifican

como arcos rolados. Un miembro del chasis es una minima

pieza representativa sin cortes, de tubo continuo. La

estructura primaria se compone del arco principal, arco

frontal, tirantes y soportes, estructura de impacto lateral,

tabique frontal, sistema de soportes del tabique frontal y

miembros del chasis, guías y soportes que transfieren carga

desde la suspensión hasta los anteriores elementos ya

nombrados. La estructura principal involucra todas las

partes del chasis que se conectan con la estructura primaria.

El tabique frontal es una estructura plana que define el

plano más adelantado de la estructura principal y cuya razón

de ser es la protección de los pies del piloto. El atenuador

de impacto es un elemento concebido para deformarse y

absorber energía en caso de impacto frontal posicionado

delante tabique frontal. La zona de impacto lateral es el

área lateral del vehículo que se extiende desde el suelo hasta

350 mm de altura en el eje Z y desde el arco frontal hasta el

arco principal en el eje X. Finalmente, la triangulación de

nodo a nodo se refiere a un conjunto de miembros del

chasis, proyectados en un plano donde una fuerza coplanar

aplicada en cualquier dirección, en cualquier nodo, solo

provoca esfuerzos de tensión y compresión en dichos

miembros. A esto se le denomina también como estar

“debidamente triangulados” tal y como se muestra en la

figura 9.

Figura 9- Triangulación nodo a nodo. A la izquierda se muestra la

triangulación invalida, a la derecha la triangulación correcta [1].

Existen diferencias entre la estructura primaria y la

estructura principal. La estructura principal incluye el arco

de refuerzo y los respectivos cierres de arco (para los arcos

frontal, principal y de refuerzo). La figura 10 ilustra esta

configuración.

Figura 10- Estructura principal [4].



Una consideración que hace Calvo Rodríguez [4] es que

para las partes a las que no se especifiquen las características

mínimas del material con las que se harán, se podrá emplear

el material de sección y espesor más bajos con los que se

cuente, en su caso, esto lo realizó utilizando en un principio

sólo tres medidas de tubos diferentes.

En lo que respecta a la zona de impacto lateral, la figura

11 muestra la configuración estándar [1] de esta.

Figura 11- Configuración de la zona de impacto lateral de acuerdo

con la definición de la regla T3.3 [1].

Lo siguiente será conocer los requerimientos mínimos del

material que se deben cumplir de acuerdo con la regla

T3.4.1.

Tabla 3- Dimensiones permisibles de material [1].

Parte o aplicación Diámetro exterior y espesor

Arco principal y frontal,

Barra p/montaje del arnés de hombro

25.4mm x 2.4mm (1”x 0.095”)

o 25.0.mm x 2.50mm

Estructura para impacto lateral, tabique

frontal, tirantes para arcos rolados,

Accesorio del arnés de sujeción del conductor

(excepto como se indica arriba)

EV: estructura de protección del acumulador

25.4mm x 1.65mm (1x0.065”)

25.0mm x 1.75mm

25.4mm x 1.60mm

PTR 1.00”x1.00”x0.047”

PTR 25.0mm x 25.0mm x

1.20mm

Soporte del plano frontal, Soportes de

refuerzo del arco principal

EV: Protección de componentes del sistema

de tracción

25.4mm x 1.20mm (1”x0.047”)

25.0mm x 1.5mm

26.0mm x 1.2mm

Miembro de impacto lateral superior doblado

(alternativa de la regla T3.24.3aª)

35.0mm x 1.2mm

(1.375”x0.047”)

La siguiente regla enlistada en la tabla 1 es la T3.10.3 que

establece los requisitos generales que deben cumplir el arco

frontal y principal de acuerdo con la posición del piloto

dentro de la cabina del vehículo [1]. Pons [5] sintetiza estos

requerimientos en la figura 12 que muestra los aspectos

geométricos que se deben cumplir.

Figura 12- Requisitos que deben cumplir en conjunto los arcos

principal y frontal [5].

Dado que estos requisitos dependen de la posición

correcta que adopta el piloto dentro de la cabina, lo siguiente

es mostrar la plantilla [1]que indica la postura que debe tener

el piloto, de acuerdo con datos antropométricos.

Figura 13-Plantilla masculina percentil 95 [1].

Los requerimientos establecidos por el resto de las reglas

[1] enlistadas en la tabla 1, se han sintetizado con la finalidad

de poder visualizarlos de manera más clara. La tabla 4 indica

los aspectos a considerar para la regla T3.11 y T3.12.

Tabla 4- Requerimientos de las reglas T3.11 y T3.12 [1].

Regla Aspectos Requerimiento

T3.11

Acerca del

arco

principal

1 Cumplir con la regla T3.4.1 (requisitos de material).

2 Ser simétrico y rolado (Iniciar y terminar en los

puntos más bajos de la zona lateral).

3 La parte del arco principal que se une con la

estructura principal desde el miembro superior de la

estructura de impacto lateral hacia el miembro

inferior debe formar un ángulo no mayor a 10°.

4 La parte del arco principal que se une por debajo del

miembro superior de la zona de impacto lateral puede

estar inclinada con cualquier ángulo respecto de la

vertical hacia adelante pero solo puede hacerlo hacia

atrás formando un ángulo máximo de 10°.

T3.12

Acerca del

arco

frontal


2 Ser simétrico y rolado (Iniciar y terminar en los

puntos más bajos de la zona lateral).

3 Se puede hacer de más de una pieza si se triangula

correctamente. (Opcional).

4 La superficie superior no debe quedar por debajo de

la posición más elevada del volante

5 No debe de superar la distancia de 250 mm delante

del volante.

6 En la vista lateral, ninguna parte del arco puede estar

inclinada más de 20° con la vertical



De acuerdo con Pons [5], también se podrán utilizar otros

materiales para fabricar estas partes y, por tanto, otros

espesores mínimos, siempre que cumpla las siguientes

condiciones:

• La disposición de materiales alternativos debe

tener un E·I mayor o igual sobre el eje más débil.

• Los tubos de aluminio deben estar tratados

térmicamente y endurecidos tras la soldadura. El

equipo deberá presentar un informe del proceso.

• Los materiales composite no están permitidos para

el arco principal y frontal. El equipo deberá

presentar un informe del tipo de material.

La tabla 5, enlista los requerimientos de las reglas de

diseño para los soportes de los arcos anteriormente

mencionados.

Tabla 5- Requerimientos de las reglas T3.13 y T3.14 [1].


T3.13

Soportes

del arco

principal


2 estar soportado por dos barras que se extienden hacia

atrás o hacia delante en ambos lados del arco.

3 El arco principal y sus soportes no estarán inclinados

hacia el mismo lado con respecto a la vertical

4 Deben estar unidos tan cerca como sea posible a la

parte más alta del arco principal, pero no más de

160mm por debajo de su superficie superior.

5 Deben ser de elementos rectos sin curvas.

6 El extremo inferior debe estar unido al arco principal

por al menos dos miembros en cada lado del

vehículo, uno superior y otro inferior debidamente

triangulados

7 El miembro superior debe unirse al nodo donde el

miembro inferior de la zona de impacto lateral

conecta con el arco principal.

8 El miembro inferior debe unirse al nodo donde el

miembro inferior de la zona de impacto lateral

conecta con el arco principal.

T3.14

Soportes

del arco

frontal


2 El arco frontal debe estar soportado por dos barras

que se extienden hacia adelante en ambos lados de

este.

3 Los soportes deben estar construidos de tal forma que

protejan las piernas del conductor y deben conectar

con la estructura que se encuentra delante de los pies

de este.

4 Estos soportes deben de estar conectados tan cerca

como sea posible.

Los siguientes requerimientos son para el diseño del

plano frontal y los soportes que debe tener. Al igual que en

las reglas anteriores. La tabla 6 enlista dichos aspectos

establecidos en las reglas correspondientes.

Tabla 6- Requerimientos de las reglas T3.18 y T3.19[1].


T3.18

Acerca del

plano

frontal


2 Se puede hacer de más de una pieza si se triangula

correctamente. (Opcional).

3 Debe estar situado por delante de todos los elementos

que no deben romperse.

T3.19

Soportes

del

tabique

frontal


2 El tabique frontal debe estar integrado de forma

segura en el chasis.

3 El miembro superior debe estar unido a menos de

50mm de la superficie superior del tabique frontal y

estar unido al arco frontal en una zona no más alta de

100mm y no más baja de 50mm del miembro

superior de la zona de impacto lateral.

4 Si se encontrase a más de 100mm por encima del

miembro superior, se necesitaría la triangulación

apropiada para transferir la carga entre dicho

miembro y el arco frontal.

5 El miembro inferior debe estar unido a la base del

tabique frontal y a la base del arco frontal.

6 El elemento diagonal debe estar debidamente

triangulado con los miembros superiores e inferiores.

La tabla 7 muestra los requerimientos que debe cumplir

la zona de impacto lateral establecidos de acuerdo con la

regla T3.24.

Tabla 7- Requerimientos de las reglas T3.24 [1].


T3.24

Zona de

impacto

lateral

1 El miembro superior debe conectar el arco principal

y el arco frontal.

2 Con un piloto que pese 77Kg sentado en la posición

normal de conducción todos los miembros deben

estar en una altura entre 300 y 350mm por encima del

suelo.

3 El miembro inferior debe conectar la parte inferior

del arco principal y la del arco frontal. El miembro

inferior del lateral del chasis puede ser este elemento

si cumple los requisitos de diámetro y espesor.

4 El elemento diagonal debe conectar los elementos

superior e inferior de la estructura de impacto lateral

ubicándose delante del arco principal y por detrás del

arco frontal.


La figura 14 muestra un chasis con los elementos

mencionados en las tablas 4,5,6 y 7. Las partes azules

corresponden a los arcos principal y frontal, las partes

amarillas que conectan a los arcos son las zonas de impacto

lateral, las partes rojas que están al frente son el plano frontal

junto con sus soportes. En este caso el chasis emplea

conectores (partes amarillas) que unen a los soportes de

plano con el arco frontal.



Figura 14- Acomodo de tubos [11].

La figura 11 ilustra la geometría de la estructura de

impacto lateral con los requerimientos establecidos.

Con la triangulación adecuada está permitido fabricar

estos elementos de más de una pieza. Como alternativa a esta

configuración tubular, la normativa contempla la posibilidad

de sustituir partes tubulares por partes hechas de paneles de

material compuesto. Para ello habrá que demostrar que

dicho panel tiene al menos la misma rigidez a flexión (el

producto E*I) que la estructura formada por tubos [1].

Con la misión de asegurar que la apertura de la cabina

(habitáculo donde se encuentra el piloto en todo momento)

y permitir un fácil acceso al mismo la normativa ha definido

dos plantillas que deben poder ser introducidas y

desplazadas ciertas distancias de acuerdo con la regla T4.1.

La primera plantilla para la apertura de la cabina (figura

15a) debe ser introducida de forma vertical por la zona de

entrada del piloto hasta que haya pasado por debajo de la

barra superior del Side Impact. La segunda plantilla (figura

15b) determina la sección mínima de la parte frontal del

coche y debe ser capaz de introducirse de forma lateral hasta

una posición retrasada 100mm de la cara más retrasada

posible de los pedales cuando se encuentran en posición no

operativa.

a) b)

Figura 15- a) Plantilla para apertura de la cabina, b) Plantilla para

la sección minima de la parte frontal [1].

3. El modelado del chasis dentro del proceso de diseño

Como ya se vio en los requerimientos establecidos por SAE,

hay aspectos que debe cumplir el chasis y que se deben

considerar a la hora de diseñarlo.

Esto es común en el diseño, ya que hay funciones que

deben realizarse mediante códigos y normas, en este caso,

ya sea por economía, por seguridad o por consideraciones de

responsabilidad legal de un producto.

Shigley [6] define al diseño como la acción de formular

un plan para satisfacer una necesidad específica o resolver

un problema. Si el plan resulta en la creación de algo

físicamente real, entonces el producto debe ser funcional,

seguro, confiable, competitivo, útil, que pueda fabricarse y

comercializarse. El diseño es un proceso iterativo tal como

se muestra en la figura 16 con muchas fases interactivas.

Existen muchos recursos para apoyar al diseñador, entre los

que se incluyen muchas fuentes de información y una gran

abundancia de herramientas de diseño por computadora.

Figura 16- Proceso de diseño [6].

3.1. Herramientas y recursos del diseño

Los recursos pueden ir desde libros de ciencia/ingeniería

hasta folletos o catálogos de los fabricantes. De acuerdo con

George E. Dieter [7] también la computadora puede jugar un

papel importante en la recolección de información.

El software para el diseño asistido por computadora

(CAD) permite el desarrollo de modelados tridimensionales

(modelos 3D) a partir de los cuales pueden producirse vistas

ortográficas convencionales en dos dimensiones con

dimensionamiento automático. Las trayectorias de las

herramientas de fabricación pueden generarse a partir de los

modelos 3D y, en algunos casos, las partes pueden crearse

directamente desde una base de datos 3D mediante el uso de

un método para la creación rápida de prototipos y

manufactura (estereolitografía): ¡manufactura sin papeles!

Otra ventaja de este tipo de base de datos es que permite

cálculos rápidos y exactos de ciertas propiedades como la

masa, la localización del centro de gravedad y los momentos

de inercia de masa. Del mismo modo, pueden obtenerse con

facilidad otras propiedades como áreas y distancias entre

puntos. Existe una gran cantidad de software de CAD

disponible como Aries, AutoCAD, CadKey, I-Deas,



Unigraphics, SolidWorks y ProEngineer, sólo por

mencionar algunos.

El término ingeniería asistida por computadora (CAE) se

aplica generalmente a todas las aplicaciones de ingeniería

relacionadas con la computadora. Con esta definición, el

CAD puede considerarse como un subconjunto del CAE

según Shigley [6].

3.2. El proceso del modelado y sus características

Basado en lo anterior se procede a plantear una serie de

preguntas, cuya respuesta, se pretende, pueda servir para

orientar a los diseñadores a desarrollar modelados

confiables con la finalidad de poder extraer toda la

información que permita potencializar el diseño y

optimizarlo. ¿Cómo se modela el chasis tubular espacial?,

¿Qué detalles se deben considerar durante el modelado del

chasis con la finalidad de evitar errores?, ¿Qué ventajas se

obtienen al contar con un buen modelado? Y finalmente

¿Cómo influye en el modelado el conocer los procesos de

manufactura empleados?

Contestando las dos primeras preguntas acerca del cómo

modelar el chasis y que detalles considerar, se debe tomar

en cuenta que no todos los equipos de diseño emplean el

mismo software, por lo que se presenta un proceso

generalizado para la creación del modelo 3D tomando en

cuenta la similitud de comandos y opciones con las que

cuentan algunas plataformas.

Figura 17- Proceso general propuesto de modelado del chasis.

El primer paso del proceso de modelado es establecer los

ejes del espacio. La figura 18 muestra la convención

establecida por SAE [1].

Figura 18- Convención ejes [1].

Para cumplir con este requerimiento, en algunos casos se

opta por adecuar la orientación del modelo al sistema de ejes

del programa CAD, pero esto provoca un abatimiento

incorrecto de las vistas del modelo. La figura 19 ilustra un

ejemplo de este caso en el que la vista isométrica muestra al

chasis recostado, eso dificulta la visualización y su ensamble

con otras piezas.

Figura 19- Vista isométrica de chasis.

Para corregir este problema, se puede generar sistema de

coordenadas como se muestra en la figura 20 o mediante la

rotación de los ejes dentro de la plataforma CAD, aunque

esto implica adecuar el sistema de proyección a la nueva

convención para obtener las vistas correctas al momento de

abatir el modelo.

Figura 20- El primer sistema de coordenadas (círculo rojo) es

predeterminado por el software CAD, el segundo sistema (círculo verde)

está orientado conforme lo establece SAE.

El siguiente paso en el desarrollo del modelado es crear

el bosquejo conforme este el acomodo de los perfiles. Para

esto se debe conocer las longitudes, ángulos y radios (para

las partes roladas), así como algunas medidas generales del

vehículo. La figura 21 muestra la creación de dicho croquis.

Figura 21- Croquis que representa la forma de los arcos y planos.

Ejes

• Convención de ejes X,Y,Z de acuerdo con lo establecido por SAE.

Croquis de recorrido de

perfiles

• Croquis o bosquejo de geometría del chasis.

Establecer los perfiles

• Forma del perfil y tipo de material.



Para esto se presenta una recomendación para el caso de

los croquis para arcos, plano frontal y las zonas de anclaje

del motor: Procurar realizar primero los croquis de estos, ya

que son los principales elementos del chasis. Los tirantes y

soportes se realizan de acuerdo con la forma de las partes

principales ya que su labor es meramente unir cada una de

estas, por lo que su modelado depende de los puntos en

donde requieran fijarse en la estructura. La figura 22 muestra

el croquis para el caso de los soportes y tirantes.

figura 22- Las líneas negras representan las trayectorias de los

perfiles para soportes y tirantes.

Para terminar de definir el bosquejo de líneas se

recomienda incorporar las plantillas de apertura dentro del

modelo con el fin de comprobar si el espacio para la cabina

cumple con los requerimientos.

La última etapa en el proceso de modelado es reproducir

con los diferentes segmentos de línea, la forma de los

perfiles (área transversal). Algo así como una especie de

barrido a lo largo de las trayectorias del croquis como se

muestra en la figura 23.

Figura 23- A la izquierda, perfil circular. A la derecha, recorrido del

perfil.

Durante la revisión a diferentes modelos, se observó

problemas de interferencias en las uniones de perfiles

posterior al barrido de estos. El error más común a la hora

de modelar estructuras soldadas ya que existen puntos de

unión donde convergen diferentes perfiles. Algunos

softwares poseen funciones para corregir el problema,

tomando en cuenta el acabado para las uniones, ósea la

forma que adoptan los tubos para unirse a otros en un punto.

En la figura 24 se observan 2 perfiles marcados en color

azul, los cuales se entrecruzan con otro tubo de menor

longitud. En muchos casos, los softwares no reconocen estas

interferencias, al menos que se realice una revisión. Esto

implica variaciones en el peso y la ubicación del centro de

gravedad.

Figura 24- Interferencias en la unión de perfiles.

Considerando que la ubicación del origen de coordenadas

puede variar entre un modelo y otro, y que también sus

dimensiones varían, se recomienda que el plano XZ corte al

modelo a la mitad, para comprobar la simetría del chasis y

ayudar a detectar interferencias en el modelo.

a) b) Figura 25- a) Modelo de chasis con interferencias que evitan que

sea simétrico. b) Modelo de chasis simétrico.

La ubicación de los centros de masa en los modelos

mostrados en la figura 25 varían debido al origen del

modelo, pero en ambos casos el plano XZ corta a la mitad al

modelo por lo que la coordenada en X para ambos casos

debería ser 0.00 pero solo el modelo b cumple con esa

característica. De hecho, la interferencia mostrada en la

figura 24 pertenece al modelo a. Modelar correctamente un

objeto tiene ventajas. En la práctica se ha observado que un

modelo correctamente definido permite obtener:

• Características físicas similares a los valores reales:

Peso, centro de gravedad, dimensiones.

• La convergencia de la solución en las simulaciones.

• Información confiable para manufactura.

Los procesos de manufactura empleados para fabricar él

chasis, tomando en cuenta la definición de diseño de Shigley

[6], deben aprovechar las bondades del Software CAD y las

ventajas de un correcto modelado:

• Corte de perfiles: Consultando listas de cortes y la

configuración de cada unión.

• Rolado (doblado de tubos): Consultando los

radios y la longitud de pieza desplegada.



• Soldadura: Empleando la nomenclatura correcta

en los dibujos para fabricación.

• Material: Consultando la cantidad que se requiere.

4. Conclusión

El diseño en ingeniería mecánica requiere de herramientas

que potencialicen su proceso, y el diseño asistido por

computadora (CAD) es un ejemplo de estas. El caso del

chasis para vehículo tipo Fórmula SAE debe cumplir con los

requerimientos establecidos por las reglas a fin de obtener

algo confiable y seguro. La manera de usar las herramientas

o los medios para diseñar pasa a segundo término y no se le

pone atención a la forma en la que se emplean o los errores

que se cometen. En el caso del modelado esto se ha

presentado ya que los diseñadores en ocasiones no cuentan

con el dominio o asesoría para el manejo de un software

CAD, y usan la plataforma para plasmar la idea del concepto

de su chasis y mostrar la forma que tendrá solamente. Esto

implica la variación de parámetros que generan información

errónea, poco confiable o insuficiente en el modelo 3D. Un

correcto modelado apegado a la realidad y a lo que se quiere

obtener brinda información más confiable para el proceso de

diseño. El modelado es el medio que permite visualizar lo

que se tendrá en el futuro, y debe considerarse una guía

fundamental para la fabricación del producto, y si no se

realiza correctamente abre la posibilidad de cometer errores

durante los procesos de diseño y manufactura. Un correcto

modelado 3D brinda la posibilidad de conocer parámetros

que se requieran para la fabricación y si no realizamos un

correcto modelado, se tiene la posibilidad de afectar la

calidad de dicho producto a pesar de cumplir con sus

requerimientos.

Agradecimientos

Al Doctor Marcelo López Parra por su apoyo siendo mi tutor

y asesor de maestría, ya que tanto su asesoría como consejos

me orientaron durante la elaboración de este artículo.

Agradezco también a Conacyt por el apoyo brindado

económicamente para la realización de mis estudios de

posgrado. Los autores agradecemos el apoyo proporcionado

por la Dirección General de Asuntos del Personal

Académico de la UNAM, a través del proyecto PAPIIT

número 102717.

Finalmente quiero dedicar esta aportación a mi familia. A

mis padres, a Mayra y a mi hija Ximena, ya que su apoyo

moral me motiva a seguirme superando.

REFERENCIAS

[1] 2017-18 Formula SAE® Rules.

[2] Redondo Martín Roberto, Diseño y simulación de un chasis

tubular para un vehículo tipo fórmula, Universidad Politécnica

de Madrid, febrero 2017.

[3] Portero Ruiz Fernando, Diseño y cálculo del chasis monocasco

de un monoplaza de competición tipo fórmula, Escuela Técnica

Superior de Ingeniería-Universidad de Sevilla, 2016.

[4] Calvo Rodríguez Arturo, diseño y análisis de un chasis para un

prototipo de fórmula SAE, Universidad pontificia de comillas.

[5] Pons Estruch Arantxa, vehículo de competición formula

SAE: diseño y optimización del chasis, Universidad Politécnica

de Valencia, septiembre 2016.

[6] Shigley, J.E. Diseño en Ingeniería Mecánica. México, Edit. Mc

Graw Hill.

[7] George E. Dieter, Engineering Design. A Materials and

Processing Approach, 3a. ed., McGraw- Hill, Nueva York,

2000.

[8] Mercedes Benz 300 (1954). Recuperado de

https://mercedes-benz-publicarchive.com

[9] Ariel Atom, Ariel Motor Company. Recuperado de

http://soulmodelsweb.com/product/ariel-atom-v8/

[10] Análisis técnico del centro de balanceo. Recuperado de

https://albrodpulf1.wordpress.com/2014/09/11/analisis-

tecnico-roll-center-centro-de-balanceo/

[11] Secciones de los tubos y su disposición. Recuperado de

https://www.researchgate.net/profile/L_Malcher/public

ation/288154402/figure/fig4/AS:310872330260483@1

451129147782/Tubing-sections.png


https://mercedes-benz-publicarchive.com/

http://soulmodelsweb.com/product/ariel-atom-v8/

https://albrodpulf1.wordpress.com/2014/09/11/analisis-tecnico-roll-center-centro-de-balanceo/

https://albrodpulf1.wordpress.com/2014/09/11/analisis-tecnico-roll-center-centro-de-balanceo/

³análisis del proceso de diseño y fabricación del chasis tubular...

Documents