UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS SISTEMAS DE
BASTIDOR Y CARROCERÍA PARA UN PROTOTIPO DE GO
KART CON BASE AL REGLAMENTO DE LA FIA
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
FRANCISCO JAVIER CODENA SIMBAÑA
DIRECTOR: ING. ALEX GUZMÁN
Quito, junio 2016
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
Reservados todos los derechos de reproducción
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 172089349-2
APELLIDOS Y NOMBRES: Codena Simbaña Francisco Javier
DIRECCIÓN: 17 de Marzo y Gangotena
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022330-848
TELÉFONO MOVIL: 0995824036
DATOS DE LA OBRA
TITULO: “Diseño y construcción de los sistemas de
bastidor y carrocería para un prototipo de go
kart con base al reglamento de la FIA”
AUTOR O AUTORES: Codena Simbaña Francisco Javier
FECHA DE ENTREGA DEL
PROYECTO DE TITULACIÓN:
03 junio de 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing. Alex Guzmán
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250
palabras
El estudio del presente trabajo consiste en
realizar la estructura o chasis para un
prototipo de go kart, el cual pueda llegar a
homologarse y competir en la categoría
KS2, clasificada por la FIA, para esto se
realizó un trabajo de investigación y análisis
en el cual se determina las cargas que
afectan directamente a la estructura y de
X
esta manera seleccionar el material más
idóneo de acuerdo con sus propiedades,
para esto se utilizó el software SolidWorks
que nos permite hacer análisis estructural
determinando esfuerzos y posibles puntos
de falla en la estructura para lo cual el factor
de seguridad determinara la resistencia del
chasis.
También se hizo un análisis aerodinámico
que determina la resistencia del aire al
movimiento del go kart y de esta manera
determinamos que la potencia del motor
aplicado conjuntamente al chasis tiene la
potencia para vencer esta carga así como
las cargas fijas y variables que se presentan
un las maniobras del piloto.
En lo que respecta a procedimientos de
fabricación se analizó los procesos que
presenten un menor costo y de mayor
utilización, además de un listado de
procedimientos a seguir para obtener un
trabajo de calidad y eficiencia con
materiales que se encuentran en el
mercado.
Por ultimo con las pruebas de campo se
determinaron varios aspectos a tomarse en
cuenta para futuras investigaciones que
permitirán mejorar el presente proyecto
dándole una amplia aplicación en el área de
ingeniería y en el sector automotriz del país
y ayudar al desarrollo del mismo
PALABRAS CLAVES: Chasis
Esfuerzos
Fuerzas actuantes
ABSTRACT:
The study of this work is to make the
structure or chassis for a prototype go kart,
which can reach homologated and compete
in the KZ2 class, classified by the FIA, for
this research work and analysis was
conducted in which loads directly affect the
structure is determined and thus select the
most suitable materials according to their
properties, so that the SolidWorks software
allows us to do structural analysis by
DEDICATORIA
Dedico con mucho cariño este trabajo a mi madre Verónica y a mi abuelita
Francisca que son un ejemplo de superación, a mi hermana Anita que es la
persona por quien me esfuerzo cada día de mi vida para lograr todo y
demostrar que con dedicación y esfuerzo todo se consigue.
A mi familia en general, los mismos que estuvieron apoyando en los
momentos buenos y malos.
A mis compañeros que pasamos buenos momentos, compartimos
experiencias y nos apoyamos en el transcurso de nuestros estudios en la
universidad.
Francisco Codena
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios sobre todas las cosas, por dotarme de salud y bienestar
para culminar mi carrera universitaria sin contratiempos, a mi madre por su
sacrificio y apoyo que permitieron que pudiese estudiar la carrera que más
fascina y apasiona, a todas las personas que de una manera u otra aportaron
un granito de arena para este logro.
Francisco Codena
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN.. ................................................................................................... 1
ABSTRACT. .................................................................................................. 3
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 5
2. MARCO TEÓRICO .................................................................................... 7
2.1. CONCEPTOS GENERALES ............................................................... 7
2.1.1. CONCEPTO Y RESEÑA HISTÓRICA DEL KARTING ................. 7
2.1.2. CIK-FIA ......................................................................................... 8
2.1.3. CONCEPTO DE GO KART .......................................................... 9
2.2. SISTEMAS CONSTITUTIVOS DE UN GO KART ............................. 10
2.2.1. SISTEMA DE DIRECCIÓN ......................................................... 10
2.2.2. POTENCIACIÓN......................................................................... 10
2.2.3. SISTEMA DE TRANSMISIÓN .................................................... 14
2.2.4. AROS Y NEUMÁTICOS ............................................................. 16
2.3. PRINCIPALES ELEMENTOS DEL CHASIS DE UN GO KART ........ 17
2.3.1. CUADRO CHASIS ...................................................................... 18
2.3.2. SOPORTES ................................................................................ 19
2.3.3. BANDEJA O PISO ...................................................................... 20
2.4. ELEMENTOS DE LA CARROCERIA DEL GO KART ....................... 21
2.4.1. BARRAS ..................................................................................... 21
2.4.2. PONTONES O GUARDACHOQUES.......................................... 23
ii
2.4.3. ASIENTO .................................................................................... 24
2.5. MATERIALES PARA ESTRUCTURAS DE VEHÍCULOS .................. 25
2.5.1. MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCIÓN
DE BASTIDORES ................................................................................. 25
2.5.2. ESPECIFICACIONES DE MATERIALES POR LA FIA ............... 26
2.5.3. PROPIEDADES MECÁNICAS DE MATERIALES ...................... 27
2.6. ACEROS ........................................................................................... 28
2.6.1. ACEROS AL CARBONO ............................................................ 28
2.6.2. ACEROS ALEADOS ................................................................... 28
2.6.3. ACEROS DE BAJA ALEACIÓN .................................................. 29
2.6.4. VENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL ................................ 29
2.6.5. DESVENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL ......................... 29
2.7. FUNDAMENTOS TEÓRICOS PARA EL DISEÑO DEL CHASIS
DE GO KART ........................................................................................... 30
2.7.1. PESOS ....................................................................................... 30
2.7.2. FUERZA DE EMPUJE ................................................................ 30
2.7.3. TORQUE REQUERIDO .............................................................. 31
2.7.4. ACELERACIÓN .......................................................................... 31
2.7.5. ACELERACIÓN NORMAL .......................................................... 31
2.7.6. TENSIÓN DE VON MISES ......................................................... 32
2.7.7. TENSIONES PRINCIPALES ...................................................... 33
2.7.8. FACTOR DE SEGURIDAD ......................................................... 33
2.7.9. LÍMITE DE FLUENCIA ................................................................ 34
2.7.10. RESISTENCIA AERODINÁMICA ............................................. 35
2.7.11. RESISTENCIA FRONTAL DEL AIRE ....................................... 36
iii
3. METODOLOGÍA ...................................................................................... 37
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................ 47
4.1. PARAMETROS DE DISEÑO DE LOS
COMPONENTES ESTRUCTURALES DEL GO KART ............................ 47
4.2. DETERMINACIÓN DE CARGAS ...................................................... 49
4.2.1. PESOS ....................................................................................... 50
4.2.2. FUERZA DE EMPUJE ................................................................ 51
4.2.3. TORQUE REQUERIDO .............................................................. 51
4.3. CARGAS GENERADAS EN CONDICIONES
EXTREMAS (ACELERACIÓN-FRENADA) .............................................. 51
4.3.1. ACELERACIÓN .......................................................................... 52
4.3.2. FUERZAS DE INERCIA DEL PILOTO ........................................ 53
4.3.3. FUERZAS DE INERCIA DEL MOTOR ....................................... 53
4.4. FUERZAS PRODUCIDAS EN CURVA A MÁXIMA VELOCIDAD ..... 53
4.4.1. FUERZAS DE INERCIA DEL PILOTO EN CURVA .................... 54
4.4.2. FUERZAS DE INERCIA DEL MOTOR EN CURVA .................... 54
4.5. SELECCIÓN DE MATERIALES ........................................................ 55
4.6. MODELADO DEL CHASIS DEL GO KART ....................................... 57
4.7. DISEÑO DEL CHASIS TUBULAR ..................................................... 57
4.8. DISEÑO DEL CHASIS EN CALERACION Y FRENADA BRUSCA
EN EL SOFTWARE SOLIDWORKS ........................................................ 58
4.8.1. ASIGNACIÓN DE CARGAS ....................................................... 58
4.8.2. ESFUERZO VON MISES ........................................................... 59
4.8.3. FACTOR DE SEGURIDAD ......................................................... 60
iv
4.8.4. DESPLAZAMIENTOS Resultantes ............................................. 60
4.8.5. DEFORMACIÓN UNITARIA AQUIVALENTE ............................. 61
4.9. DISEÑO DEL CHASIS CON VELOCIDAD MÁXIMA EN CURVA ..... 62
4.9.1. ASIGANCIÓN DE CARGAS ....................................................... 62
4.9.2. ESFUERZO VON MISES ........................................................... 63
4.9.3. DESPLAZAMIENTOS RESULTANTES ...................................... 63
4.9.4. FACTOR DE SEGURIDAD ......................................................... 64
4.10. ANÁLISIS AERODINÁMICO DEL GO KART .................................. 65
4.10.1. RESISTENCIA DEL AIRE ......................................................... 65
4.11. PRUEBAS DE CAMPO ................................................................... 66
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................... 68
5.1. CONCLUSIONES .............................................................................. 68
5.2. RECOMENDACIONES ..................................................................... 69
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 70
ANEXOS….. ................................................................................................ 72
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Primer diseño de go kart ............................................................... 7
Figura 2. Go-kart en pista ............................................................................ 9
Figura 3. Esquema de elementos de dirección .......................................... 10
Figura 4. Primer ciclo de funcionamiento del motor ................................... 11
Figura 5. Segundo ciclo de funcionamiento del motor ............................... 12
Figura 6. Motor marca Rotax modelo 125 MAX EVO ................................. 13
Figura 7. Pedal del acelerador ................................................................... 13
Figura 8. Pedal de freno ............................................................................. 14
Figura 9. Eje posterior o de Transmisión ................................................... 15
Figura 10. Piñón de Transmisión del Go Kart ............................................ 15
Figura 11. Cadena de Transmisión ............................................................ 16
Figura 12. Rin de 5 Pulgadas para Go Kart ............................................... 17
Figura 13. Tipos de Neumáticos Para Go Kart........................................... 17
Figura 14. Chasis y eje posterior diseñados en SolidWorks ...................... 18
Figura 15. Chasis cuadro de go kart .......................................................... 19
Figura 16. Soporte del eje en el chasis ...................................................... 20
Figura 17. Bandeja o piso del go kart ......................................................... 21
Figura 18. Barra o soporte de guardachoque frontal .................................. 21
Figura 19. Barra o soporte de guardachoque posterior .............................. 22
Figura 20. Barras o soportes de guardachoques laterales ......................... 22
Figura 21. Barra de torsión ........................................................................ 23
Figura 22. Pontones o guardachoques de go kart ..................................... 23
Figura 23. Asiento de go kart ..................................................................... 24
Figura 24. Textura acero ............................................................................ 28
Figura 25. Resistencia aerodinámica ......................................................... 35
Figura 26. Plano de componentes principales del go kart .......................... 40
Figura 27. Dimensiones del chasis para go kart categoría KZ2 ................. 40
Figura 28. Perfil tubular aserrado y listo para soldar .................................. 41
Figura 29. Doblado de perfiles tubulares ................................................... 41
vi
Figura 30. Soldadura de chasis .................................................................. 42
Figura 31. Chasis cuadro soldado .............................................................. 42
Figura 32. Circuito básico de suelda por arco eléctrico .............................. 43
Figura 33. Dimensiones del soporte de mangueta ..................................... 44
Figura 34. Soportes del eje posterior ......................................................... 44
Figura 35. Proceso de pintura para el chasis ............................................. 45
Figura 36. Ubicación del protector de la dirección ..................................... 45
Figura 37. Ubicación guardachoque lateral ................................................ 46
Figura 38. Ubicación del asiento del piloto ................................................. 46
Figura 39. Chasis cuadro y guardachoques (Pontones) ............................ 47
Figura 40. Propiedades mecánicas (Dureza vs Temp. Revenido) ............. 56
Figura 41. Propiedades mecánicas ............................................................ 56
Figura 42. Chasis modelado en SolidWorks .............................................. 57
Figura 43. Captura de aplicación de cargas SolidWorks ............................ 59
Figura 44. Captura de esfuerzo de Von Mises en SolidWorks ................... 59
Figura 45. Captura de desplazamientos del chasis en SolidWorks ........... 60
Figura 46. Captura de deformación unitaria ............................................... 61
Figura 47. Captura de aplicación de cargas en SolidWorks ....................... 62
Figura 48. Captura de esfuerzo de Von Mises en SolidWorks ................... 63
Figura 49. Desplazamientos del chasis en curva con velocidad máxima. .. 64
Figura 50. Vista frontal de go kart .............................................................. 65
Figura 51. Vista lateral de go kart .............................................................. 66
vii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Tipos de aceros estructurales y sus propiedades .......................... 26
Tabla 2. Propiedades mecánicas del acero AISI 4130 ................................ 35
Tabla 3. Densidad del aire en función de la altura ....................................... 36
Tabla 4. Categorías de Karting .................................................................... 37
Tabla 5. Especificaciones técnicas categoría KZ2 ...................................... 48
Tabla 6. Propiedades Físicas del Acero AISI 4130 ..................................... 55
viii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1. Reglamento técnico de karting .................................................. 72
ANEXO 2. Vista aérea de la pista go kart en el valle de los chillos ............. 86
ANEXO 3. Planos y dimensiones del chasis ............................................... 87
1
RESUMEN
El proyecto de titulación hizo énfasis en el diseño y la construcción del chasis
para un go Kart de acuerdo a las normas implantadas y reguladas por la
Comisión Internacional de Karting (CIK) y la Asociación Internacional de
Automovilismo (FIA) en requerimientos técnicos, para lo cual se hizo un
análisis enfocado en las características de los materiales utilizados para la
construcción de bastidores, posteriormente se realizaron planos con
dimensiones establecidas acorde a la categoría KZ2 de la CIK y se hizo uso
de un software que nos permitió realizar simulaciones de esfuerzos y cargas
en el chasis.
Para la simulación fue necesario aplicar varios fundamentos matemáticos con
lo cual se identificaron las cargas y esfuerzos que actúan directamente sobre
el chasis y de esta manera tener un panorama claro para la selección del
material utilizado, siendo el AISE 4130 el que más se apega a los
requerimientos en cuanto a elasticidad, tenacidad y soldabilidad refiere.
En cuanto a los resultados obtenidos posteriormente al análisis en el software
SolidWorks se determinó la tensión de esfuerzos de Von Mises teniendo un
esfuerzo máximo de 307.1 MPa (Mega Pascales) y el material utilizado cuenta
con un límite de fluencia que varía desde 480 a 590 MPa con lo cual se
determinó que el chasis no podrá fallar por fatiga.
Para el diseño de cualquier estructura es indispensable el cálculo del factor
de seguridad, el cual se calculó empleando los valores obtenidos del análisis
del software y se tuvo un valor de 1.563 lo que al interpretarlo determino que
la estructura no presentara falla por fatiga.
En cuanto a las cargas que se generan en curva fueron calculadas empleando
la masa de un piloto promedio de 75 kilogramos el cual entrega una inercia de
900 N (Newtons) al realizar un curva, lo mismo que ocurre con el motor que
proporciona 225 Newtons en las mismas condiciones, para todo esto se
calculó los esfuerzos y el factor de seguridad teniendo resultados favorables
por sobre el valor de 1, que indica seguridad de la estructura.
2
Para culminar con el desarrollo del diseño se analizó la resistencia frontal del
aire obteniendo un valor de 261.52 Newtons lo cual restringirá de manera poco
considerable el movimiento del go kart.
Para el proceso de fabricación una vez seleccionado el material, los
procedimientos fueron el doblado de los perfiles y posteriormente la soldadura
de los mismos, para lo cual se utilizó el proceso GMAW logrando un acabo de
calidad y estética, que fue complementado con un proceso de pintura lo cual
otorgo una protección a la estructura de agentes ambientales que la pudieran
deteriorar.
Como parte final de este proyecto se indicaron todas las conclusiones y
recomendaciones que se obtienen con la realización del proyecto y que deben
tomarse en cuenta para un posterior estudio y análisis.
De esta manera ya culminado el proyecto se desarrolló de tal manera que
permita realizar un aporte académico en futuros estudios para la evolución del
deporte del Karting teniendo siempre en cuanta las entidades que lo rigen.
3
ABSTRACT
The degree project made emphasis on the design and construction of the
chassis for a go Kart according to the standards established and regulated by
the Commission International of Karting (CIK) and the International
Association of automobile (FIA) on technical requirements, which became an
analysis focused on the characteristics of the materials used for the
construction of frames subsequently plans were established according to the
CIK KZ2 category and use of software that allowed us performs simulations of
efforts and loads in the chassis.
For the simulation, it was necessary to apply several mathematical foundations
which loads were identified and efforts that act directly on the chassis, and
thus have a picture clear for the selection of the material used, being the AISE
4130 which is more keeping with requirements in terms of elasticity, toughness
and weldability.
In regards the results subsequently to the analysis in the software SolidWorks
determined efforts of Von Mises stress having a maximum effort of 307.1 MPa
(Mega Pascals) and the material used has a yield strength ranging from 480
to 590 MPa with which it was determined that the chassis can not fail due to
fatigue.
To the design of any structure is essential to the calculation of factor of safety,
which was calculated using the values obtained from the analysis of the
software and had a value of 1,563 what to interpret it determined the structure
not present failure by fatigue.
As for the loads generated in curve were calculated using the mass of a pilot
average of 75 kg which gives an inertia of 900 N (Newton) to make a curve,
the same thinghappens with the engine providing 225 Newtons under the
same conditions, for all this was calculated efforts and the safety factor having
favorable results above the value of 1 indicating security structure.
To culminate with the development of the design was analyzed the frontal air
resistance getting a value of 261.52 Newtons which will restrict the movement
of the go kart little considerably.
4
For the process of manufacturing once selected material, the proceedings
were bending of profiles and subsequently welding them, for which we used
the GMAW process achieving a finish of quality and aesthetics, which was
supplemented with a paint process, which gave protection to the structure of
environmental agents that could damage it.
As part of this project are indicated all the conclusions and recommendations
that are obtained with the completion of the project and to be taken into
account for a further study and analysis.
Thus already completed project was developed in such way that allows to
make academic contribution to future studies for the evolution of the sport of
Karting taking always into account institutions that govern it.
INTRODUCCIÓN
5
1. INTRODUCCIÓN
Durante algunos años el mundo viene presenciando un constante desarrollo
tecnológico en diversas áreas y profesiones, una de estas es el sector
Automotriz, el mismo presenta un gran avance de la tecnología y su desarrollo
se lo refleja en vehículos de competencia de distintas categorías.
El karting siendo una de las categorías del automovilismo también presenta
avances en cuanto a tecnología se refiere y esto ha provocando que en
nuestro país se inicie una interacción cada vez mayor con ésta categoría y
dichos avances tecnológicos.
En el Ecuador al no existir un progreso industrial para el manejo de los
avances de tecnologías, llegamos a ser consumidores de productos
importados, generando de ésta manera la fuga de capital de nuestro país,
pero por qué no comenzar a contar con nuestro propia mejora tecnológica en
materia automotriz que otorgue los mismos privilegios y el mismo nivel de
avance de otros países; en vista de esto es necesario fomentar la cultura de
investigación en este campo y empezar la base en el crecimiento e
investigación de la estructura tanto del chasis y la carrocería para un prototipo
de go kart como etapa inicial del progreso en vehículos de competencia para
la categoría de karting dentro del país que genere un aporte al cambio
industrial en el Ecuador.
Para el presente trabajo de titulación se planteó como objetivo general:
Diseñar y construir los sistemas bastidor y carrocería para un prototipo de go
kart con base al reglamento de la FIA, que permita alcanzar una investigación
dedicada al análisis de estructuras vehiculares.
Para cumplir con este propósito se plantean los siguientes objetivos
específicos:
Analizar y reconocer las características que detalla la Federación
Internacional de Automovilismo a cerca de go kart.
6
Diseñar la estructura del go kart utilizando especificación normadas para
soportar cargas y esfuerzos.
Analizar los diversos materiales y seleccionar las alternativas más idóneas
para la construcción de la carrocería para el prototipo de go-kart.
MARCO TEÓRICO
7
2. MARCO TEÓRICO
2.1. CONCEPTOS GENERALES
2.1.1. CONCEPTO Y RESEÑA HISTÓRICA DEL KARTING
El karting es definido como el deporte automovilístico en donde se forman los
pilotos de competición, el cual debido a su alto desempeño competitivo se rige
bajo las normas de la Comisión Internacional de Karting y es regularizado por
la Federación Internacional de Automovilismo (CIK-FIA).
Concebido en el mes de Marzo del año de 1956 en una base aérea del estado
de California, Estados Unidos.
Los soldados asignados a dicha base en un fin de semana de descanso y con
aburrimiento extremo, tomaron la decisión de fabricar algo que les permitiera
aprovechar las pistas de aviación que se encontraban inutilizadas.
Ya con la iniciativa lo siguiente se volvió algo muy sencillo, bastaron unos
cuantos tubos de calefacción, una soldadora, unos neumáticos de las colas
de los aeroplanos, el motor de una podadora y un volante de una avión que
se encontraba en desuso para hacer un Go-Kart y de esta manera se daba
inicio al Karting, con unos elementos muy rudimentarios que no permitían
sobrepasar los 50Km/h.
Figura 1. Primer diseño de go kart
8
El primero Kart fue fabricado en Agosto de 1956 por Arte Ingels en el estado
de California en Estados Unidos, este vehículo estaba potenciado por un
motor de podadora de una compañía llamada West Bend Company, luego de
muy poco tiempo el Karting iba ganando solides como deporte y empezaron
las primeras competencias cerriles y poco a poco los karts superaban los 50
Km/h.
El karting creció de una manera abrumadora de tal manera que 3 años
después de su concepción ya existían 300 marcas diferentes que
manufacturaban éste vehículo, y por consecuencia el Karting se convertía en
una disciplina automovilística de una manera fulgurante y ganaba miles de
participantes.
Para los años 60´s éste deporte se introduce a Europa por medio de Francia
e Inglaterra y se creaban numerosas federaciones por todo el mundo y es allí
cuando interviene la FIA y toma la decisión de crear la Comisión Internacional
de Karting (CIK) para controlar el proceso federativo.
2.1.2. CIK-FIA
La Comisión Internacional de Karting (CIK) es una comisión deportiva que
forman parte de la FIA, su objetivo es el de desarrollar, promover, coordinar y
regular las actividades relacionadas con el Karting alrededor de mundo,
respetando los principios promulgados por la Federación Internacional del
Automóvil (FIA) siendo sus objetivos principales:.
Garantizar la unidad de las actividades de Karting y la salvaguarda de los
intereses, tanto material como moral, de Karting en todos los países;
Promover el desarrollo de la práctica del deporte Karting en el mundo
respetando al mismo tiempo la seguridad y el medio ambiente, y promover
la aplicación de regulaciones internacionales para la organización y
funcionamiento de los eventos de Karting y la práctica del mismo;
9
Elaborar, armonizar y hacer cumplir cualquiera de los reglamentos
técnicos en lo que respecta al Karting, respetando el Código Deportivo
Internacional de la FIA y sus anexos;
La elaboración de un calendario internacional de eventos y reuniones
internacionales para el karting;
La creación de reglas para cualquier equipo y material utilizado en la
práctica del deporte Karting, así como los lugares utilizados para la
práctica de Karting.
2.1.3. CONCEPTO DE GO KART
Se denomina go-kart a un automóvil pequeño monoplaza que cuanta con un
motor, con o sin elementos de carrocería, sin suspensión y con cuatro ruedas
no alineada que se mantienen en contacto con el suelo. Sus ruedas delanteras
ejercen el trabajo de maniobrabilidad con el control de la dirección y las
posteriores van conectadas a un elemento que permita la transmisión de
potencia desde el motor, el cual por lo general es mono-cilíndrico y su
cilindrada varía dependiendo la categoría en la cual se vaya a participar.
Entre los elementos que lo conforman tenemos el chasis, la carrocería, los
neumáticos y el motor.
Figura 2. Go-kart en pista
10
2.2. SISTEMAS CONSTITUTIVOS DE UN GO KART
2.2.1. SISTEMA DE DIRECCIÓN
Este sistema está formado por un conjunto de elementos que permiten al kart
trazar la trayectoria fijada por el conductor. Comprendido por el volante, barra
de dirección, bieletas de dirección, manguetas y rótulas correspondiente,
elementos que permiten modificar la trayectoria del go kart por medio del
volante él cual con su giro modifica la posición de las ruedas delanteras del
vehículo.
Figura 3. Esquema de elementos de dirección
(Burzi, 2005)
2.2.2. POTENCIACIÓN
2.2.2.1. MOTOR
Es la parte esencial en la potenciación del go kart, debido a que es la máquina
térmica que brinda la propulsión al vehículo a través de la transformación de
11
energía química en energía mecánica en forma de giro, la cual es transmitida
al eje posterior del vehículo para producir su desplazamiento.
El motor (2 tiempos) es un conjunto conformado por un cilindro el cual en su
parte interior aloja un cilindro en el cual trabaja un pistón, cuenta con un cárter
el cual es una caja de aluminio encajada en la parte inferior del motor.
El pistón está articulado mediante un bulón a la biela, la cual es la pieza que
transmite el movimiento al cigüeñal. El cigüeñal es el elemento oscilatorio del
pistón por medio de la biela y lo transforma en movimiento circular, está
dotado de contrapesos que permiten superar los puntos muertos tanto
superior como inferior (PMS y PMI) de la carrera.
El motor de 2 tiempo realiza en dos carreras del pistón lo que el motor de 4
tiempo lo realiza en cuatro carreras.
Figura 4. Primer ciclo de funcionamiento del motor
(Ingemecanica, 2016)
En la figura 4 se muestra que el pistón está realizando un recorrido hacia el
PMS comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Al mismo tiempo, el
movimiento ascendente del pistón genera una depresión o vacío en el cárter,
y al continuar el movimiento se descubre la lumbrera de admisión conectada
al carburador y en ese momento ingresa al cárter una carga de la mezcla de
combustible impulsada por la diferencia de presión existente en el exterior del
motor. Al mismo tiempo que el pistón se acerca al PMS, éste cierra tanto la
lumbrera de escape y la de admisión situada entre el cárter y en ese momento
la chispa enciendo la mezcla de aire-combustible comprimida.
12
En la figura 5, los gases se expande debido a la combustión de la mezcla, y
estos impulsan de una manera brusca al pistón hacia abajo en el ciclo de
trabajo. A medida que el pistón sigue su recorrido descendente, cierra el paso
de la lumbrera de entrada que conecta al carburador y comprime la mezcla
combustible en el cárter, provocando de esta manera su aumento de presión.
Continuando el descenso el pistón descubre la lumbrera de salida y los gases
de la combustión salen de la cámara de combustión. Cuando el pistón se
acerca al PMI se descubre la lumbrera de admisión y la mezcla combustible a
presión en el cárter irrumpe a alta presión ocupando la cámara de combustión
que se encuentra con una diferencia de presión.
Figura 5. Segundo ciclo de funcionamiento del motor
(Ingemecanica, 2016)
Existe una gran variedad de motores en el KART dependiendo de la categoría
de la competición, o si es motor de dos o cuatro tiempos. Éstos también se
pueden diferenciar dependiendo el combustible que utilicen para su
funcionamiento, siendo el más común la utilización de gasolina aunque se
existen motores propulsados por gas.
13
Figura 6. Motor marca Rotax modelo 125 MAX EVO
2.2.2.2. PEDALES
Se cuenta con un par de pedales, uno que permite el control del acelerador
figura 7 y otro que permite el accionamiento del freno figura 8, éstos son los
encargados de transmitir las reacciones y deseos del piloto cuando se
encuentre en conducción.
Figura 7. Pedal del acelerador
(TONY KART, 2016)
Existen sugerencias las cuales indican que los pedales no deben ser
apretados con mucha fuerza para que cuenten con una holgura y en ningún
caso deben sobrepasar la defensa delantera. Además existen
comprobaciones a realizar, tales como, los topes de los pedales deben estar
14
graduados y los muelles de retorno de cada pedal deben accionar
adecuadamente permitiendo un regreso a la posición original de cada pedal.
Figura 8. Pedal de freno
(TONY KART, 2016)
2.2.3. SISTEMA DE TRANSMISIÓN
Encargado de transmitir la energía mecánica del motor hacia las ruedas
posteriores, conformado por el eje de transmisión, Soporte del eje, estrella o
catalina, el piñón de transmisión, la cadena de transmisión y finalmente por
los neumáticos. Todos estos elementos trabajan conjuntamente para lograr la
transmisión de energía con pérdidas mínimas hacia las ruedas y de esta
manera permitir el desplazamiento del go kart.
2.2.3.1. EJE DE TRANSMISIÓN
Es el elemento de transmisión de energía del go kart, manufacturado con alta
ingeniería logrando transmitir la máxima potencia al piso y aportarle agarre al
kart, además es el soporte único de los frenos, deben ofrecer flexión y torsión
al go kart, ya que estos vehículos son de competición y se puede decir que
carecen de sistema de suspensión.
Está diseñado de un grosor de entre 25, 40 o 45 mm, dependiendo del chasis
y de la categoría de la competencia. Se acopla al chasis mediante dos o tres
15
soportes que trabajan como puntos de apoyo y cuentan con rodamientos
apropiados para permitir un correcto giro del eje como muestra la figura 9.
Figura 9. Eje posterior o de Transmisión
2.2.3.2. RUEDA DENTADA DE TRANSMISIÓN
Está ubicada de manera fija al eje de salida del motor, trabaja conjuntamente
con los elementos de transmisión permitiendo la conducción de la potencia
del motor hacia el eje posterior, este se muestra en la figura 10.
El número de dientes de éste va a variar dependiendo del tipo de circuito a
correr, variando de esta la relación de transmisión con la catalina del eje de
transmisión.
Figura 10. Piñón de Transmisión del Go Kart
2.2.3.3. CADENA DE TRANSMISIÓN
Sirve para la transmisión del movimiento de arrastre entre de fuerza entre dos
ruedas dentadas.
16
Su longitud va a depender del número de eslabones acoplados y de la
aplicación que se le dé a ésta.
Al prescindir de un tensor, la cadena debe tener una longitud apropiada
dependiendo de la catalina seleccionada, esto sugiere a contar con cadenas
de diferentes medidas o modificarlas añadiendo o quitando eslabones de la
forma que muestra la figura 11.
La tensión de la cadena se va a dar de manera limitada por el desplazamiento
del motor, ya que no va a tener una gran graduación para desplazarse.
Figura 11. Cadena de Transmisión
2.2.4. AROS Y NEUMÁTICOS
En conjunto sirven para la dirección y/o propulsión del go kart y son los
encargados de trasmitir toda la potencia del motor y la eficacia de los frenos
sobre la superficie en la que el go kart está en movimiento, por tal motivo se
hace imprescindible que las prestaciones, eficacia y el rendimiento de estos
sea la óptima.
Los aros son piezas metálicas circulares en forma de cilindro en donde se
montan los neumáticos, dentro de competencias oficiales de karting no deben
sobrepasar las 5 pulgadas de diámetro y son fabricados de aluminio con cierto
porcentaje de aleación de magnesio y cromo, materiales que ofrecen alta
resistencia para las fuerzas aplicadas en competencia tomando la apariencia
de la figura 12.
17
Figura 12. Rin de 5 Pulgadas para Go Kart
En cuanto a los neumáticos son elementos de caucho que se montan sobre
el aro y su función es la de brindar adherencia y fricción sobre pista, de esta
manera haciendo posible el arranque, frenado y guía del vehículo sobre
cualquier superficie.
Dependiendo de la superficie a la que se vayan a someter existen diferentes
clases como los neumáticos para tierra, nieve, hielo, asfalto, etc. Todos estos
con características especiales que hacen que mejore su fiabilidad,
rendimiento y eficiencia en los terrenos para los cuales están designados.
Figura 13. Tipos de Neumáticos Para Go Kart
2.3. PRINCIPALES ELEMENTOS DEL CHASIS DE UN GO
KART
Tomando en cuenta los conceptos que definen a un go kart se determina que
este es un vehículo monoplaza construido con una estructura tubular de acero
18
estructural, este monoplaza carece de algún sistema de amortiguación y es
utilizado en el deporte automovilístico.
Para el chasis se tienen en cuenta varios elementos que lo conforman y que
con unidos de manera fija por un proceso de soldadura.
Figura 14. Chasis y eje posterior diseñados en SolidWorks
2.3.1. CUADRO CHASIS
Es el elemento principal de la estructura del mono-bloque, el cual soporta las
principales piezas y sistemas complementarios de un go kart.
Se conforma por perfiles de cilíndricos de acero que se sujetan entre sí por un
proceso de soldadura, su diámetro es de entre 30 a 32 milímetros siendo estas
medidas las de mayor utilización ya que cuentan con una alta dureza y
flexibilidad que permiten resistir las fuerzas y torsiones que el go kart debe
soportar al carecer de un sistema de amortiguación.
19
Figura 15. Chasis cuadro de go kart
Éste elemento cuenta con una alta aplicación de ingeniería ya que debe
brindar seguridad, versatilidad y regirse a pesos y dimensiones
reglamentadas, además debe otorgar gran comodidad al piloto para que este
pueda maniobras de conducción deportiva con gran agilidad y por esto se
utilizara un software para simular las cargas y esfuerzos que actúan sobre el
chasis.
2.3.2. SOPORTES
Los componentes del go kart se unen al chasis mediante soportes o amarres
que permiten una fijación entre los elementos y el chasis.
Entre los soportes que cuenta el go kart se tienen:
Soporte del Motor
Soporte del asiento
Soporte de la dirección
Soporte del eje posterior
En estos puntos son en los cuales el chasis soportara toda la carga de los
elementos que forman al go kart.
En el soporte es donde el motor va a fijarse al chasis y en donde aplicara su
peso, siento este soporte el que deba resistir tanto la carga del motor como
20
las fuerzas de inercia que este genere al momento que el go kart se encuentre
en movimiento.
Los soprtes del asiento son los encargados de tolerar el peso del piloto y las
fuerzas que este genere al momento que el go kart se encuentre en
movimiento, estos soportes van fijos al chasis de manera fija sin permitir
movimientos laterales.
En cuanto a los soportes de la direccion, es e donde se va a colocar la barra
de la direccion y a esta iran unidas las bieletas y las rotulas, elemetos que
permitira dar trayectoria al go kart.
El soporte del eje de transmisión es el donde el chasis va a sujetarse y donde
se transferirán las cargas a los neumáticos posteriores.
Figura 16. Soporte del eje en el chasis
2.3.3. BANDEJA O PISO
Ubicada en la parte inferior del chasis desde la parte delantera hasta la altura
del asiento del conductor, es ajustada con pernos auto perforantes en el
mismo chasis. La función que cumple es como apoya pies, protección y
soporte para colocar el tanque del carburante. De acuerdo a la reglamentación
está prohibido que contenga agujeros de diámetro superior a la especificación,
al igual que perforaciones en el cuadro por donde puedan estar en riesgo los
21
pies del piloto. Tampoco puede contar con prolongaciones hacia abajo para
generar el “efecto suelo” porque éste está prohibido.
Figura 17. Bandeja o piso del go kart
(TONY KART, 2016)
2.4. ELEMENTOS DE LA CARROCERIA DEL GO KART
2.4.1. BARRAS
La chasis o bastidor se adicionan un juego de barras, generalmente con un
acabado superficial de cromo, su función es la de bridar estabilidad, rigidez o
actuar como soporte de otros elementos.
Figura 18. Barra o soporte de guardachoque frontal
(TONY KART, 2016)
La defensa delantera se encuentra atornillada en sus extremos y en el centro
cuenta con dos apoyos, funciona como la barra estabilizadora del eje
delantero, además protege los pies del piloto de alcances y sirve de soporte
22
para el faldón, se puede modificar su fuerza de acoplamiento con lo que se
logra variar el agarre del eje delantero.
La barra posterior tiene una función muy similar, además sirve de agarre
para el empuje del go kart en el momento del arranque.
Figura 19. Barra o soporte de guardachoque posterior
(TONY KART, 2016)
Las barras laterales añaden rigidez al conjunto además de dar protección al
piloto frente a golpes, finalmente se agregan tirantes desde los soportes del
eje posterior hasta el asiento para conferir mayor rigidez al chasis.
Figura 20. Barras o soportes de guardachoques laterales
(TONY KART, 2016)
23
La barra de torsión tiene la finalidad de conferir estabilidad a la carrocería en
condiciones de conducción extrema, de esta manera se instala en la parte
delantera, justo bajo el volante uniendo los ejes de las ruedas delanteras, esta
ubicación permite una mayor estabilidad en curvas a gran velocidad.
Figura 21. Barra de torsión
(TONY KART, 2016)
2.4.2. PONTONES O GUARDACHOQUES
Son elementos fabricados utilizando polímeros, material que toma la forma de
la matriz o molde en el que se cuele, los pontones están diseñados de tal
manera que presenten la menor resistencia aerodinámica cuando el go kart
se encuentra en conducción.
Figura 22. Pontones o guardachoques de go kart
(TONY KART, 2016)
24
Se ubican en las barras de la parte frontal, posterior y laterales, sujetados con
pernos y arandelas tipo estrella que permiten un ajuste adecuado y evitando
posibles desajustes con las vibraciones generadas cuando el go kart entra en
conducción.
2.4.3. ASIENTO
Elaborado en fibra sirve como un habitaculo para el piloto, ademas aislar el
calor del escape y posible, aunque improbable, fuego.
Se cuenta con una gran gama de asientos, dependiendo del peso del piloto,
éste debe instalarse de tal menera que permita una adecuada sujecion al
desplazamiento del cuerpo en los pasos de curva. Al asiento se atornilla los
tirantes del eje posterior y generalmente tambien se atornilla el lastre, se lo
suele forrar con una capa de plomo en la parte posterior o inferior cuando la
cantidad de peso a agregar es considerable.
Figura 23. Asiento de go kart
(TONY KART, 2016)
La ubicación del asiento es un aspecto muy importante, debido a que se
condicional la postura del piloto y la distribucion de pesos. La posicion del
piloto por lo general no coloca sus brazos o piernas extendidos, sino las
extremidades cuentan con una pequeña flexión que permite la movilidad del
volante sin levanterse al igual que presionar los pedales a fondo sin
problemas. Además, el propio peso del piloto es un factor determinante en el
25
equilibrio del kart (el peso puede ser mayor al kart), por lo que la colocación
del asiento influye considerablemente en el centro de gravedad.
2.5. MATERIALES PARA ESTRUCTURAS DE VEHÍCULOS
Cuando se diseña un bastidor se debe tomar en cuenta factores de los
materiales para elegir el material idóneo y que cumpla con las necesidades
del fabricante, como son; la durabilidad, la soldabilidad, la moldeabilidad,
prestaciones, disponibilidad, precio, peso, entre otros, y siempre teniendo
presente que el bastidor es una estructura de seguridad para los pasajeros
del automóvil.
La selección de materiales se hace mediante varios ensayos, para saber las
propiedades físicas y mecánicas que se tiene en cada uno de los materiales
y así tomar una decisión adecuada (Mark, 2016).
2.5.1. MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE
BASTIDORES
Los materiales que se emplean para la fabricación de bastidores de vehículos
deben cumplir al menos con algunos requisitos:
Buena ductilidad
Módulo de elasticidad alto
Buena soldabilidad
Bajo coste
De esta manera el material que cumple con estos requisitos de manera
indudable es el acero.
En el mercado existen muchos y variados tipos de aceros, entre los cuales,
son los aceros estructurales los que mejor se adaptan para aplicaciones en la
fabricación de carrocerías y superestructuras en vehículos industriales
(Ingemecanica, 2016).
26
La tabla 1 muestra los tipos de aceros estructurales usados habitualmente con
los valores mínimos nominales del límite elástico, los valores de resistencias
últimas a la tracción y los alargamientos a la rotura (Ingemecanica, 2016).
Tabla 1. Tipos de aceros estructurales y sus propiedades
Tipo de Acero Limite elástico
mínimo
Resistencia a
la tracción
Porcentaje mínimo de
alargamiento
Longitudinal Transversal
S235 235 340 – 470 26 24
S275 275 410 – 560 22 20
S355 355 490 - 630 22 20
S460* 460 550 - 720 17 15
(Ingemecanica, 2016)
Las designaciones de los tipos de acero que se muestran en la tabla 1 se
ajustan a la EN 10025, siendo una norma europea.
Para mayor facilidad se revisa una equivalencia de los aceros a la norma AISI
(American Iron and Steel Institute).
2.5.2. ESPECIFICACIONES DE MATERIALES POR LA FIA
En cuanto a los requerimientos de la FIA (Federación Internacional del
Automóvil) para la utilización de materiales para la construcción del bastidor
se debe tener en cuenta que el material a utilizar debe ser acero magnético
para una estructura tubular de sección cilíndrica que se conforme en una sola
pieza contando con partes soldadas que no puedan ser desmontadas.
La flexibilidad del chasis únicamente debe corresponder a los límites de
elasticidad de la estructura tubular.
Los requerimientos en cuanto a las partes principales del chasis son que
deben estar sólidamente unidos uno a otro o al bastidor, formando un solo
cuerpo solido son articulaciones.
27
Las articulaciones son permitidas únicamente para los soportes de las
manguetas en el sistema de dirección.
Las piezas auxiliares deben estar firmemente fijados entre si o al bastidor. Las
conexiones flexibles están autorizados. Todos los elementos que contribuyen
al funcionamiento normal del kart deben cumplir con los reglamentos. Estas
piezas deben estar montadas para no caerse mientras el kart está en
movimiento.
2.5.3. PROPIEDADES MECÁNICAS DE MATERIALES
Los materiales que se utilizan en estructuras deben contar con algunas
propiedades que le permitan resistir las cargas y esfuerzos al momento del
desplazamiento del go kart.
Maleabilidad: Cualidad de un metal para reducirse en láminas finas,
dobladas o deformadas por choque o presión en caliente o frio.
Tenacidad: Resistencia a la rotura que oponen los materiales a los
esfuerzos es decir la capacidad que tiene los materiales para soportar o
resistir al choque.
Elasticidad: Esta propiedad es la que tienen los materiales para
deformarse, y recuperando su forma original una vez quitado el esfuerzo.
Plasticidad: Es la propiedad de los materiales para ser moldeados cuando
son golpeados con otro material de mayor dureza.
Ductilidad: Es la propiedad que tienen los materiales para estirarse hasta
romperse.
Fragilidad: Es la propiedad para saber la fragilidad de los materiales
cuando tiene una deformación muy pequeña hasta romperse.
Soldabilidad: Es la propiedad de los materiales para ser trabajados sobre
ellos térmicamente.
28
2.6. ACEROS
El acero es una aleación de hierro (Fe) y carbono (C), este material es el más
usado para la fabricación de los bastidores por sus propiedades químicas y
físicas, además de un precio económico y la facilidad de encontrar en el
mercado.
Figura 24. Textura acero
(Aceros Fortuna, 2016)
2.6.1. ACEROS AL CARBONO
La mayoría de aceros son al carbono, lo que distingue en esta clase de acero
es la variación de cantidad de carbono y de los demás compuestos que tiene
pero es en mínimas cantidades, este tipo de acero es utilizado para fabricar
estructuras, carrocería de automóvil, maquinas, etc.
2.6.2. ACEROS ALEADOS
Este tipo de acero está compuesto por una cantidad de vanadio, molibdeno,
magnesio, silicio y cobre, y son utilizados para fabricar engranajes, ejes,
cuchillos, etc.
29
2.6.3. ACEROS DE BAJA ALEACIÓN
Este tipo de acero también es llamado ultra resistente ya que es el más
resístete de los 5 tipos de aceros, y el valor de este acero es bajo ya que la
cantidad de aleaciones son menores. Este tipo de acero sirve para la
construcción de edificios y para los vagones (Appold, 2005).
2.6.4. VENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL
El acero para aplicaciones estructurales cuenta con propiedades mostradas
en la sección 2.6.1.; dichas propiedades le otorgan ventajas características a
este acero que le permiten un óptimo desempeño en estructuras al resistir
cargas y esfuerzos, ventajas tales como:
Alta resistencia por unidad de peso lo cual permite estructuras
relativamente livianas lo cual es de mucha importancia en la construcción.
La homogeneidad es una de las propiedades más importantes del acero
ya que no se altera con el tiempo, ni varían con la localización en los
elementos estructurales
La elasticidad que tiene el acero es necesario en las construcciones por
eso le hace muy apetecible en las construcciones antisísmicas, además
permite soportar deformaciones sin falla.
2.6.5. DESVENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL
El acero estructural al contar con características específicas para resistir
cargas y esfuerzos, descuida otros aspectos que se pueden solucionar con
tratamientos y acabados superficiales.
30
El acero expuesto a la intemperie tiende a oxidarse por lo cual
necesariamente necesita de esmaltes alquílicos o más conocidos como
antioxidantes para protegerlo.
Cuando sufre demasiada carga se genera un pandeo el cual obliga al
material a ceder, cambiar de forma y quedar pandeado.
2.7. FUNDAMENTOS TEÓRICOS PARA EL DISEÑO DEL
CHASIS DE GO KART
2.7.1. PESOS
El peso se define como la masa de un cuerpo afectada por la gravedad. De
tal manera se tiene que la fuerza que se aplica a un elemento es el producto
entre el valor de su masa y la aceleración adquirida.
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎 [1]
2.7.2. FUERZA DE EMPUJE
La fuerza de empuje es la necesaria para que el go kart pueda vencer la fuerza
de rozamiento del piso y pueda moverse con una velocidad máxima se logra
determinar aplicando la siguiente ecuación:
𝐹𝑒𝑚 = 𝜇𝑑 ∗ 𝑊𝑇
[2]
Donde:
𝜇𝑑 = Coeficiente de rozamiento dinámico caucho-asfalto (Serway, 2009).
𝑊𝑇 = Sumatoria de pesos incluyendo piloto.
31
2.7.3. TORQUE REQUERIDO
Para que el go kart pueda vencer la inercia y el rozamiento de los neumáticos
con el asfalto es necesaria una fuerza, dicha fuerza hará que el monoplaza se
mantenga en movimiento y dicha fuerza es la mínima que deberá ser
entregada por el motor.
Esta fuerza es el producto de la fuerza de empuje y el radio del neumático
empleado.
𝑇 = 𝐹𝑒𝑚 ∗ 𝑟 [3]
Donde:
𝐹𝑒𝑚 = Fuerza de empuje
𝑟 = Radio máximo del neumático con rin de 5 pulg (CIK-FIA, 2016).
2.7.4. ACELERACIÓN
Es una magnitud vectorial que nos indica la variación de velocidad por unidad
de tiempo.
Se la llega a determinar con la siguiente ecuación:
𝑎𝑎𝑐𝑒𝑙 =𝑣𝑓−𝑣0
𝑡 [4]
Donde:
𝑣𝑓 = Velocidad máxima alcanzada
𝑣0 = Velocidad inicial
𝑡 = Tiempo en alcanzar la velocidad máxima
2.7.5. ACELERACIÓN NORMAL
Es una magnitud relacionada con el cambio de dirección de la velocidad de
una partícula en movimiento cuando recorre una trayectoria curvilínea.
32
Dada una trayectoria curvilínea la aceleración normal va dirigida hacia el
centro de curvatura de la trayectoria.
Cuando una un cuerpo se mueve en una trayectoria curvilínea, aunque se
mueva con rapidez constante, su velocidad cambia de dirección, ya que esta
es un vector tangente a la trayectoria, y en las curvas dicha tangente no es
constante.
El valor de la aceleración normal 𝑎𝑛 se obtiene la siguiente manera:
𝑎𝑛 = 𝑣2
𝑟 [5]
Donde:
𝑣 = Velocidad máxima.
𝑟 = Radio de la curva.
De acuerdo a la segunda ley de Newton el movimiento en la dirección radial,
la velocidad máxima 𝑣 que puede alcanzar el go kart sin volcarse esta dado
por:
𝑣 = √𝜇𝑑 ∗ 𝑟 ∗ 𝑔 [6]
Donde:
𝜇𝑑 = Coeficiente de rozamiento dinámico caucho-asfalto.
𝑟 = Radio de la curva.
2.7.6. TENSIÓN DE VON MISES
Es una magnitud física que cuenta con una proporcionalidad con la energía
de distorsión, en ingeniería es utilizado en análisis de estructuras junto con la
teoría de fallo y permiten determinar el desempeño de los materiales utilizados
en la estructura (Hearn, 2001).
33
El esfuerzo de tensión de Von Mises puede calcularse fácilmente partiendo de
las tensiones principales den tensor tensión en un punto de un sólido que
pueda deformarse (Hearn, 2001).
El software utilizado como ayuda nos entrega resultados de la tensión de Von
Mises aplicando fundamentaciones teóricas que se muestran en la siguiente
ecuación:
𝜎𝑉𝑀 = √(𝜎1−𝜎2 )2+(𝜎2−𝜎3 )2+(𝜎3−𝜎1 )2
2 [7]
Donde:
𝜎𝑉𝑀 = Esfuerzo de Von Mises.
𝜎1; 𝜎2; 𝜎3 = Tensiones principales.
2.7.7. TENSIONES PRINCIPALES
En ingeniería las tensiones principales nos hace referencia a una recta de
puntos formada por vectores de alguna magnitud de tipo tensorial, las tres
tensiones principalmente conocidas son:
Direcciones principales de inercia
Direcciones principales de tensión
Direcciones principales de deformación
Con estas tensiones, se puede calcular el valor del esfuerzo máximo de Von
Mises y determinar el desempeño de una estructura.
2.7.8. FACTOR DE SEGURIDAD
Al momento de diseñar un elemento mecánico o una estructura se debe evitar
que estos fallen, las cargas que soporta una estructura deben ser mayores a
34
las cargas a las cuales va a someterse cuando esté en funcionamiento
(Budynas & Nisbett, 2008).
Conociendo que la resistencia es la capacidad de una estructura para soportar
cargas, la resistencia real debe ser mayor que la resistencia requerida
(Budynas & Nisbett, 2008).
La expresión del factor de seguridad es:
𝑛 =𝑆𝑦
𝜎 [8]
Donde:
𝑆𝑦 = Límite de fluencia del acero AISI 4130.
= Esfuerzo máximo de tensión.
Naturalmente el factor de seguridad debe ser un valor superior a 1 para evitar
que exista una falla en la estructura, dependiendo de las aplicaciones y del
criterio del diseñador, los factores d seguridad por lo general tienen una
variación de 1 hasta 10.
2.7.9. LÍMITE DE FLUENCIA
Es el punto en donde inicia el fenómeno conocido como fluencia el cual
presenta una deformación irreversible, los materiales hasta llegar al límite de
fluencia se comporta bajo de manera elástica respondiendo a la ley de Hooke
(Mott, Resistencia de Materiales, 2009).
No todos los materiales tienen un límite de fluencia, su valor se encuentra bien
definido para la mayor parte de metales, indicando la tensión que soporta una
probeta en el ensayo de tracción antes de producirse el fenómeno de fluencia
(Mott, Diseño de elementos de máquinas, 2006).
De acuerdo a los alumnos de la Escuela Técnica Profesional de Argentina se
indica en la tabla 2 las propiedades mecánicas del acero AISI 4130 siendo
este la equivalencia del acero S355.
35
Tabla 2. Propiedades mecánicas del acero AISI 4130
Estado Límite de rotura Límite de fluencia Alargamiento Estricción
LC 76 48 22 52
TT 70 46 26 58
TT 108 94 15 57
TT 119 109 13 51
LC 67 50 22 56
TT 99 94 18 63
(ESCUELA TÉCNICA PROFESIONAL DE ARGENTINA, 2016)
Los valores de los límites tanto de rotura como de fluencia están e Kg/mm2,
mientras que el alargamiento y estricción indican su porcentaje (%).
2.7.10. RESISTENCIA AERODINÁMICA
Esta fuerza es una de las más importantes en el cálculo para el desarrollo de
todo el vehículo, esta fuerza es la actuante sobre un área correspondiente a
la proyección del vehículo en un plano perpendicular a su eje longitudinal
(MacBeath, 2005).
Figura 25. Resistencia aerodinámica
(Agudo, 2013)
36
2.7.11. RESISTENCIA FRONTAL DEL AIRE
El go kart a moverse a su máxima velocidad va a generar que el aire pase por
su superficie frontal logrando que el aire genere una resistencia al movimiento
del monoplaza, esta carga se la calcula aplicando la siguiente ecuación:
𝑅𝑎𝑓 =1
2∗ 𝐶𝑥 ∗ 𝑝 ∗ 𝐴𝑓 ∗ 𝑉2 [9]
Dónde:
𝑅𝑎𝑓 = Carga por resistencia Aerodinámica, en (N).
𝑝 = Densidad del aire, en (kg/m³).
𝑉 = Velocidad del aire, en (m/s), (Como mínimo 25 m/s).
𝐴𝑓 = Área frontal, en (m²).
𝐶𝑥 = Coeficiente de resistencia del aire, (Como mínimo 0.7).
La densidad del aire depende de la altura sobre el nivel del mar en la cual se
realice el análisis, por lo cual la tabla indica la densidad dependiendo de la
altura de la ciudad de Quito.
Tabla 3. Densidad del aire en función de la altura
Altitud [msnm]
Mínimo [kg/m3]
Promedio [kg/m3]
Máximo [kg/m3]
0 1.1405 1.2254 1.3167
2000 0.9595 1.0076 1.0572
2743 0.8986 0.9355 0.9723
(Müller, 2002)
METODOLOGÍA
37
3. METODOLOGÍA
Con base en el objetivo principal del proyecto a cerca del diseño y
construcción de los sistemas de bastidor y carrocería para un prototipo de go
kart con base al reglamento de la FIA, se tomó la decisión de desarrollar una
metodología de tipo experimental para desarrollar el proyecto, esto se lleva a
cabo con una amplia investigación en cuanto a esfuerzos, características de
materiales, condiciones de manejo siendo estas condiciones que otorgan un
punto de partida para lograr la ejecución.
Partiendo por la categorización efectuada por la CIK FIA mostrada en la tabla
4, se llego a conocer las condiciones a las cuales el go kart iba a estar
sometido.
Tabla 4. Categorías de Karting
Grupo I
KZ1 Cilindrada 125 cc
Superkart Cilindrada 250 cc
Grupo II
KZ2 Cilindrada 125 cc
OK Cilindrada 125 cc
OK-Junior Cilindrada 125 cc
(CIK-FIA, 2016)
Con el extracto de categorías de competencia de karting, se llega a
seleccionar la categoría KZ2 perteneciente al Grupo II en donde se especifica
el empleo de motores con capacidad volumétrica o cilindrada máxima de 125
centímetros cúbicos, y desde este punto se inició para el desarrollo en el
diseño del chasis, debido a que las características del motor cumplen un papel
importante en los cálculos estructurales del chasis.
El primer paso dado fue la investigación y análisis de los materiales ya
empleados en la fabricación de estructuras para vehículos, con esto se generó
38
una guía que ayudo a saber el tipo de acero que se podía emplear en la
construcción del bastidor.
Posterior al análisis del material a utilizar y a la categoría seleccionada del
reglamento de la FIA se inició con el diseño de la estructura del bastidor
haciendo uso del software SolidWorks en el cual se dibujó los planos del
chasis con sus las dimensiones tanto de diámetros, longitudes y ángulos
rigiéndose a la categoría KZ2 de la CIK-FIA indicados en la tabla 5.
Consecutivamente se realizó el ensamble de las partes y elementos
diseñados para que la estructura forme un solo cuerpo como lo determina el
reglamento de la FIA, y con esto se puede iniciar la simulación de esfuerzos
para lo cual primero se calcularon las cargas que debe soportar el chasis.
El chasis generalmente está sometido a fuerzas de flexión y torsión, siendo
esta última más importante que la flexión, afecta a las cargas de las ruedas,
que son las mayores que generar esfuerzo en el chasis, además el vehículo
también está sometido a esfuerzos aerodinámicos.
Para todas estas cargas lo primordial fue determinar los pesos que soportara
el chasis, eso se logra aplicando la ecuación 1 con lo cual las masas tanto del
motor, piloto y chasis serán multiplicadas por la gravedad que actúa como
aceleración.
Con los valores de los pesos establecidos, se continuo con el cálculo de la
fuerza de empuje necesaria para lograr sacar el go kart del estado de reposo,
para la cual se utilizara la ecuación 2 que emplea un coeficiente de rozamiento
dinámico entre caucho-asfalto y la sumatoria de pesos incluyendo al piloto,
además se hizo necesario determinar el torque necesario para mantener en
movimiento el monoplaza y esto se logra con la aplicación de la ecuación 3.
Todos estas cargas son analizadas de manera estática, pero cuando el go
kart entra en conducción es necesario saber su aceleración para lo cual se
asume una velocidad máxima en un tiempo determinado y se aplica la
ecuación 4.
Además de la aceleración se necesitó de manera primordial el cálculo de las
fuerzas de inercia de las cargas tanto del piloto como del motor en condiciones
39
de conducción extremas, esto se lograra empleando la ecuación 1
adicionándole un coeficiente parcial de seguridad para cargas variables 𝛾𝑄.
Cuando el vehículo ingresa en una curva, se genera una fuerza centrífuga la
cual depende de una aceleración normal que se conocerá con la utilización
de la ecuación 5 y la ecuación 6 que indica la velocidad máxima antes del
volcamiento.
De esta manera se logró una selección técnica del material más idóneo que
permitirá solventar los requerimientos y exigencias tanto técnicas como
mecánicas y poder obtener un correcto diseño que pueda garantizar la
eficacia del proyecto en funcionamiento y un empleo adecuado de elementos
homologados en la construcción de go karts.
Una vez determinadas todas las cargas y esfuerzos se inicia la simulación
empleando SolidWorks en el cual se ingresan los datos obtenidos y el material
a emplear, con lo cual el software correrá y nos otorgara resultados que se
deberán analizar, ya en análisis dinámico que el programa hace es basado en
el teorema de Von Mises que se mostró en la ecuación 7.
Cuando se diseña cualquier elemento o estructura es necesario analizar los
resultados que se obtienen con la ayuda de programas computacionales, lo
cual se realizó y empleando la ecuación 8 que indica el factor de seguridad.
Como parte final del diseño es necesario un cálculo de la resistencia que
presenta el aire al movimiento del go kart, esta es una resistencia frontal la
cual se determina con la aplicación de la ecuación 9 que emplea la velocidad
del vehículo, la densidad del aire y un coeficiente de resistencia del aire en
función de la altura sobre el nivel del mar.
El chasis se define según la FIA como la parte central y el apoyo de todo el
kart, siendo lo suficientemente resistentes y ser capaz de absorber las cargas
que se producen cuando el kart está en movimiento (CIK-FIA, 2016).
Para realizar la asignación de recursos económicos para la fabricación del
chasis y la carrocería de un Go Kart se determinaron los materiales y los
procedimientos necesarios para que los costes de producción no afecten de
una manera negativa el proyecto, el mismo que debe contar con una
40
estructura uniforme ajustada al diseño y normas reglamentarias otorgadas por
el ente regulador.
Para ayudar en el proceso de fabricación del go kart semuestra sus principales
elementos además de la forma desde una vista superior en la figura 26.
Figura 26. Plano de componentes principales del go kart
(CIK-FIA, 2016)
El primer procedimiento para la elaboración de una estructura generalmente
inicia con el corte de secciones del material de acuerdo a las dimensiones
necesitadas mostradas en la figura 27, posterior a esto se hace realiza una
preparación de los bordes de las barras, las cuales posteriormente seguirán
el proceso de soldadura para que al final éstas den forma a la estructura.
Figura 27. Dimensiones del chasis para go kart categoría KZ2
(CIK-FIA, 2016)
41
Entre los métodos que son utilizados con mayor frecuencia tenemos el corte
pro aserrado y el corte por soplete.
Para el caso de una estructura para chasis, debido a su bajo coste y a su
simplicidad de ejecución la mejor alternativa es el aserrado a comparación del
corte por soplete.
Este método necesita de herramientas, las cuales pueden ser, una sierra con
avance hidráulico, una banda de aserrado o una sierra en un arco para el
denominado proceso manual de corte.
Figura 28. Perfil tubular aserrado y listo para soldar
(JNACEROS, 2013)
Posterior al corte de los perfiles se continua a efectuar el doblado de los
mismos que formaran parte del chasis del go kart, y para esto se utiliza una
dobladora de tubo accionada con fuerza hidráulica para otorgar una curvatura
adecuada de acuerdo a los requerimientos del chasis.
Figura 29. Doblado de perfiles tubulares
42
Una vez finalizado el proceso de doblaje de los perfiles circulares, se inicia el
proceso de armado y soldadura de todos los tubos que en conjunto formarán
el chasis cuadro, para esto debe ser alineador en una mesa de trabajo además
se ubica en la posición requerida los elementos como el motor, el eje posterior
y los sistemas de dirección y frenos, evitando de ésta manera que, luego de
haber realizado las soldaduras pertinentes existan variaciones exageradas ya
sea en distancio o posición de estos elementos, de esta manera se consigue
una correcta unión tanto de los perfiles laterales como los perfiles que forman
la parte delantera, posterior e interior del Chasis mediante el proceso de
soldadura GMAW.
Figura 30. Soldadura de chasis
Figura 31. Chasis cuadro soldado
43
Para unir dos piezas metálicas necesitamos de un proceso llamado suelda por
arco, la unión de la piezas se da por el calor generado por el arco eléctrico,
como se indica en la figura 28.
Figura 32. Circuito básico de suelda por arco eléctrico
(Lincoln Electric, 2016)
En este proceso la energía eléctrica se transforma en energía térmica, esto
ayuda al flujo continuo de electrones atreves de un medio gaseoso, en este
proceso se genera luz y calor, para comenzar a soldar se necesita una
separación de las piezas metálicas uso 1,5 a 3 (mm), con esta separación se
dará la chispa eléctrica y así se comienza a fundir tanto el material de aporte
como la piezas en su área de contacto (OERLIKON, 2013).
Para la soldadura de perfiles tubulares el método de arco eléctrico es el más
comúnmente utilizado, además para el proceso de soldadura de perfiles
tubulares se utiliza el proceso GMAW
Éstos procedimientos son los que mejores características presentan para
realizar el proceso de soldadura en perfiles tubulares, para su procedimiento
es necesario conoces tres métodos para soldar, la soldadura manual, con
maquina semiautomática o totalmente automática, siendo los dos primeros los
normalmente empleados para el caso de perfiles tubulares.
Para el proceso a realizarse en el presente trabajo, el procedimiento de
soldadura GMAW es el que más se apega a los requerimientos:
Tipo de material a soldar
Material de aporte
44
Tipo de corriente
Espesor
Calidad del cordón (estética)
Para continuar se diseñaron los soportes tanto del eje posterior como de las
manguetas de la dirección y de las mordazas de freno del go kart,
adicionalmente se integran los soportes del tanque de combustible y de los
parachoques posterior, delantero y laterales, así como los del asiento, de la
dirección, de los pedales del freno y del acelerador, soldando todos estos
elementos mediante proceso GMAW.
Figura 33. Dimensiones del soporte de mangueta
Figura 34. Soportes del eje posterior
45
Una vez finalizado con la fabricación del chasis se procede a una limpieza
para eliminar restos de grasa y suciedad que se producen al manipular los
perfiles y por el proceso de soldadura, por tal motivo para proteger de agentes
corrosivos se continúa con un proceso de pintura que para este proyecto es
de color verde dándole estética a este proyecto.
Figura 35. Proceso de pintura para el chasis
Para concluir con el proyecto se procede a la ubicación de los guardachoques
tanto delantero, posterior y los dos guardachoques laterales en la carrocería
del go kart, estos darán seguridad al piloto además de calidad estética al go
kart.
Figura 36. Ubicación del protector de la dirección
46
Figura 37. Ubicación guardachoque lateral
Para lograr obtener un funcionamiento adecuado y óptimo es indispensable
realizar varios ajustes y calibraciones propios del diseño.
Como paso final se ubica el asiento tomando en cuenta una madia de la
estatura masculina, para esto se debe tomar un punto de referencia ubicado
en la parte delantera del chasis, el valor es de 61 cm tomados desde el
extremo inferior izquierdo del asiento hasta el perfil frontal del chasis y 62 cm
desde el extremo inferior derecho hasta el mismo punto en el frontal derecho.
Posteriormente se toma la distancia posterior del asiento con referencia al eje
de transmisión siendo el valor 23cm, luego se realiza el ajuste del mismo al
Chasis.
Figura 38. Ubicación del asiento del piloto
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
47
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1. PARAMETROS DE DISEÑO DE LOS COMPONENTES
ESTRUCTURALES DEL GO KART
El vehículo que se va a diseñar es un monoplaza de cuatro ruedas sin
alineación que entren en contacto con el suelo siendo las ruedas delanteras
las que tracen la trayectoria y las ruedas posteriores son las motrices. En la
Figura 40 se muestra el chasis el cual dota de rigidez y resistencia a todo el
conjunto, además trabaja como soporte de los demás elementos del
monoplaza y los pontones de protección.
Figura 39. Chasis cuadro y guardachoques (Pontones)
(Go-Karts, 2011)
De acuerdo al Reglamento Técnico del Karting (Anexo1) y a la categoría
seleccionada (Group II: KZ2), el chasis del go kart debe cumplir con las
especificaciones técnicas mostradas en la tabla 5.
48
Tabla 5. Especificaciones técnicas categoría KZ2
ESPECIFICACIÓN DIMENSIONES
mínimo máximo
Distancia entre ejes 101 127
Ancho de vía 2/3 distancia entre ejes -
Longitud total - 182
Anchura total - 140
Altura - 60
(CIK-FIA, 2016)
Los valores utilizados en la tabla 4 utilizan unidades en centímetros.
Además de las especificaciones técnicas enlistadas anteriormente, en el
reglamento se establecen varias exigencias como:
Chasis de construcción tubular de sección cilíndrica en acero.
Estructura monolíticas para las piezas soldadas no desmontables, sin
conexiones (móviles dentro 1, 2 o 3 ejes).
Flexibilidad del chasis correspondiente a los límites de elasticidad de la
construcción tubular.
Todas las piezas principales de los chasis estarán fijadas sólidamente unas
con las otras o al chasis.
Una construcción rígida es necesaria, a pesar de las de articulaciones
(móviles dentro 1,2 ó 3 ejes).
Las conexiones articuladas no son admitidas con el soporte convencional
de la manecilla del eje y de la dirección.
Todo dispositivo de amortiguación hidráulica o neumático contra las
oscilaciones está prohibido.
El eje posterior ha de tener un diámetro exterior máximo de 50 mm. y un
espesor de pared mínima en todo el tubo de 1,9 mm.
49
4.2. DETERMINACIÓN DE CARGAS
El chasis generalmente está sometido a fuerzas de flexión y torsión, esta
torsión es más importante que la flexión, no afecta a las cargas de las ruedas,
que son las mayores que afectan al chasis. El coche también está sometido a
esfuerzos debido a la aerodinámica.
Los esfuerzos a tomar en cuenta, son los presentes en condiciones extremas
como:
Aceleración brusca
Frenada brusca (recta o curva)
Máxima velocidad en curva
Colisiones ( choque y vuelco)
Para el chasis tubular del go kart las cargas aerodinámicas no son realmente
muy importantes debido a que las velocidades máximas no son lo
suficientemente elevadas como para generar una influencia por tal motivo, la
estructura tubular estará sometida a los siguientes tipos de cargas:
Cargas permanentes G; debidas al peso propio de la estructura, al peso
de los diferentes sistemas y al peso del conductor.
Cargas variables Q; debidas a las cargas provenientes de la suspensión y
las inercias al acelerar, al frenar o al girar.
Las cargas variables (Q) son denominadas, cuasiestáticas debido que tiene
una variación dependiendo de la aceleración o del frenado, siendo el cambio
en la aceleración el responsable de la variación en las cargas de inercia y su
magnitud será proporcional a la variación de la aceleración. Se debe tomar
como un valor característico el valor medio de la carga de inercia generado
en la maniobra y este valor será multiplicado por un coeficiente parcial de
seguridad 𝛾𝑄 adoptado para la carga considerada.
De tal manera, para la determinación de las cargas que afectan directamente
sobre el chasis del monoplaza, se toman los siguientes valores para los
coeficientes de multiplicación de la carga:
50
Para cargas permanentes 𝛾𝐺 = 1.33
Para cargas variables 𝛾𝑄 = 1.5
Los puntos de aplicación de las cargas son:
Soportes del motor de combustión (peso e inercia del motor).
Soportes donde se apliquen pesos considerables (fuerzas de peso e
inercia).
La estructura en sí (fuerzas de peso e inercias)
4.2.1. PESOS
Para el análisis de los esfuerzos del chasis del go kart se debe tener en cuenta
el peso de los componentes principales incluyendo el peso del piloto, estos
valores deben ser multiplicados por el coeficiente parcial de seguridad para
cargas fijas 𝛾𝐺.
Utilizando la ecuación 1 se tiene:
Peso del piloto (hombre percentil 95%)= 75Kg = 750 N
𝑊𝑝 = 750 ∗ 1.33
𝑊𝑝 = 997.5 𝑁
Peso del motor (Rotax Homologado) 25 Kg = 250 N
𝑊𝑚 = 250 ∗ 1.33
𝑊𝑚 = 332.5 𝑁
Peso del chasis (homologado) 20 kg = 200 N
𝑊𝑐ℎ = 200 ∗ 1.33
𝑊𝑐ℎ = 266 𝑁
51
4.2.2. FUERZA DE EMPUJE
Para determinar la fuerza de empuje utilizando la ecuación 5 se tiene:
𝐹𝑒𝑚 = 𝜇𝑑 ∗ 𝑊𝑇
𝐹𝑒𝑚 = 0.6 ∗ 1596 𝑁
𝐹𝑒𝑚 = 957.6 𝑁
La fuerza de empuje es transmitida desde el suelo hasta los apoyos de los
neumáticos.
4.2.3. TORQUE REQUERIDO
Para obtener la fuerza de empuje en las ruedas motrices y mantener al go kart
en movimiento se necesita que el motor pueda entregar un torque requerido
al eje de transmisión, este torque se obtiene empleando la ecuación 3 de la
siguiente manera:
𝑇 = 𝐹𝑒𝑚 ∗ 𝑟
𝑇 = 957.6 𝑁 ∗ 0.15 𝑚
𝑇 = 143.64 𝑁𝑚
Este valor representa el torque mínimo con el que el eje de transmisión debe
contar para lograr mantener al go kart en movimiento, además este torque es
aplicado a los pernos de sujeción del eje posterior al chasis.
4.3. CARGAS GENERADAS EN CONDICIONES EXTREMAS
(ACELERACIÓN-FRENADA)
Las condiciones extremas a las que el go kart se somete son cuando se aplica
ya sea una aceleración brusca o una frenada brusca, lo cual desarrolla cargas
52
de inercia que deben ser soportadas por el chasis y su valor depende de la
aceleración alcanzada.
4.3.1. ACELERACIÓN
Un go kart de competencia es una máquina de precisión que logra alcanzar
velocidades cercanas a las 100Km/h en un tiempo de 10 segundos, por tal
motivo, la aceleración máxima en una aceleración brusca se tiene aplicando
la ecuación 4 teniendo que:
𝑎𝑎𝑐𝑒𝑙 =𝑣𝑓−𝑣0
𝑡
𝑎𝑎𝑐𝑒𝑙 =27.8
𝑚
𝑠−0
10 𝑠
𝑎𝑎𝑐𝑒𝑙 = 2.78 𝑚/𝑠2
Del mismo modo, cuando el go kart se desplaza con su velocidad máxima y
se realiza una frenada brusca, se necesita una desaceleración que detenga
logre detener el go kart en un tiempo máximo de 5 segundos, esta
desaceleración se calcula con la ecuación 7 de la siguiente manera:
𝑎𝑓𝑟𝑒 =𝑣𝑓−𝑣0
𝑡
𝑎𝑓𝑟𝑒 =0−27.8𝑚/𝑠
5𝑠
𝑎𝑓𝑟𝑒 = −5.56 𝑚/𝑠2
Con los resultados se muestra que la mayor cantidad de fuerzas de inercia se
van a producir en el momento de frenada brusca del go kart, esto se debe a
que el valor de la aceleración obtenido en la frenada brusca es mayor que en
aceleración.
53
4.3.2. FUERZAS DE INERCIA DEL PILOTO
La inercia producida por el peso del piloto es aplicada directamente sobre los
amarres del asiento, siendo producto de las aceleraciones y frenadas en
condiciones extremas.
El cálculo se realiza con una masa del piloto de 75 Kg utilizando la ecuación
1 adicionando el valor del coeficiente parcial de seguridad para cargas
variables 𝛾𝑄.
Aplicando la ecuación se tiene:
𝐹𝑝 = 75 𝑘𝑔 ∗ 5.56 𝑚/𝑠2 ∗ 1.5
𝐹𝑝 = 625.5 𝑁
4.3.3. FUERZAS DE INERCIA DEL MOTOR
La fuerza de inercia del motor es producto tanto de las aceleraciones y
frenadas bruscas, esta carga se aplica sobre los amarres del motor.
Utilizando la ecuación 8 se tiene:
𝐹𝑚 = 𝑚𝑚 ∗ 𝑎𝑓𝑟𝑒 ∗ 𝛾𝑄
𝐹𝑚 = 25 𝐾𝑔 ∗ 5.56 𝑚/𝑠2 ∗ 1.5
𝐹𝑚 = 208.5 𝑁
4.4. FUERZAS PRODUCIDAS EN CURVA A MÁXIMA
VELOCIDAD
Cuando el go Kart ingresa a una curva, este es sometido a una fuerza
centrífuga que tiende a expulsarlo hacia el exterior de la curva, de tal manera
se genera una mayor carga en las ruedas exteriores que en la interiores.
54
Para determinar la aceleración normal utilizando los valores que se conocen
debemos reemplazar la ecuación 6 en la ecuación 5 y se obtiene:
𝑎𝑛 = 𝜇𝑑∗𝑟∗𝑔
𝑟
𝑎𝑛 = 0.6 ∗ 10
𝑎𝑛 = 6 𝑚/𝑠2
4.4.1. FUERZAS DE INERCIA DEL PILOTO EN CURVA
Se calcula de manera similar al de la aceleración y frenado en condiciones
extremas tomando en cuenta una aceleración normal 𝑎𝑛 y actual hacia el
exterior en dirección normal a la curva (perpendicular al eje tangencial).
Aplicando la ecuación 8 con una masa del piloto de 75 kg se indica:
𝐹𝑝.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 𝑚𝑝 ∗ 𝑎𝑓𝑟𝑒 ∗ 𝛾𝑄
𝐹𝑝.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 75 𝐾𝑔 ∗ 6𝑚
𝑠2 ∗ 1.5
𝐹𝑝.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 900 𝑁
4.4.2. FUERZAS DE INERCIA DEL MOTOR EN CURVA
De igual manera esta fuerza actúa en los amarres del motor en una dirección
normal a la curva y se determina utilizando una aceleración normal.
Para una masa de motor de 25 kg y aplicando la ecuación 8 se tiene:
𝐹𝑚.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 𝑚𝑚 ∗ 𝑎𝑓𝑟𝑒 ∗ 𝛾𝑄
𝐹𝑚.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 25 𝐾𝑔 ∗ 6𝑚
𝑠2∗ 1.5
𝐹𝑚.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 225 𝑁
55
4.5. SELECCIÓN DE MATERIALES
Teniendo en cuanta la gran cantidad de esfuerzos a las que va a someter la
estructural del go kart y rigiéndonos a las especificaciones técnicas que se
deben cumplir de acuerdo a la FIA, el chasis debe ser fabricado utilizando un
acero AISI 4130.
Este acero es una aleación formada de cromo y molibdeno con una gran
utilización en la industria aeronáutica, con características altas de
soldabilidad, facilidad de fabricación y endurecimiento ligero. Acorde a su
análisis químico presenta un porcentaje de 0.30% de Carbono, 0.50% de
Manganeso, 0.95% de Cromo, 0.25% de Silicio y 0.20% de Molibdeno,
aleación que le dan una templabilidad relativamente alta que lo hacen perfecto
para aplicaciones en donde se requiere dureza y tenacidad.
En cuanto a las características físicas del acero AISI 4130 se presentan en la
tabla número 7.
Tabla 6. Propiedades Físicas del Acero AISI 4130
Propiedad Valor
Densidad 0.284 𝑙𝑏/𝑖𝑛3 7.85 𝐾𝑔/𝑐𝑚3
Temperatura Criticas 750 °𝐶
Limite de fluencia 480 − 590 𝑀𝑃𝑎
Modulo de corte 80 𝐺𝑃𝑎
Maquinabilidad 70%
Calor específico 0.477 𝐽/𝑔℃
Consuctibilidad térmica 42.7 w/mK
(Aceros Fortuna, 2016)
Además se muestran las propiedades mecánicas para un posterior análisis de
diseño en las figuras 40 y 41.
56
Figura 40. Propiedades mecánicas (Dureza vs Temp. Revenido)
(Aceros Fortuna, 2016)
Figura 41. Propiedades mecánicas
(Aceros Fortuna, 2016)
57
4.6. MODELADO DEL CHASIS DEL GO KART
Acorde a las especificaciones del Reglamento Técnico de Karting tanto en
dimensiones y geometría del chasis homologado para la categoría KZ2
mostrado en la figura 27, se modeló el chasis en el Software SolidWorks de
acuerdo a los requerimientos tanto de funcionalidad y seguridad que exige
este tipo de deporte.
Utilizando los diversos comandos para diseñar en un plano, además de los
comandos que permiten crear y editar las operaciones de elementos solidos
disponibles en SolidWorks, se modela en tres dimensiones el chasis del go
kart y posteriormente se realiza su análisis de esfuerzos empleando
SolidWorksSimulation.
Figura 42. Chasis modelado en SolidWorks
4.7. DISEÑO DEL CHASIS TUBULAR
La estructura tubular rígida está formada por un grupo de tubos de acero
soldados y que va a soportar elementos y componentes del go kart, es por
esto que el chasis debe ser diseñado para soportar los pesos de los elementos
del go kart así como las fuerzas de inercia que se generan en el manejo e
condiciones extremas como aceleración y frenada brusca, y al tomar curvas a
su máxima velocidad.
58
4.8. DISEÑO DEL CHASIS EN CALERACION Y FRENADA
BRUSCA EN EL SOFTWARE SOLIDWORKS
En ingeniería para diseñar alguna estructura y analizar su resistencia a las
cargas aplicables es necesario la utilización de software que permitan esta
labor y simplifique el estudio, por lo cual para este proyecto se utiliza
SolidWorks para las simulaciones de cargas y esfuerzos.
Posteriormente se realizó el análisis de los resultados entregados por el
software para determinar la capacidad de la estructura.
4.8.1. ASIGNACIÓN DE CARGAS
Utilizando los resultados de las cargas calculadas en la sección 4.2 y 4.3, en
el momento que el go kart realiza una frenada brusca se determinó que el
chasis debe soportar las cargas siguientes:
𝑊𝑝 = 997.5 𝑁
𝑊𝑚 = 332.5 𝑁
𝑊𝑐ℎ = 266 𝑁
𝐹𝑒𝑚 = 957.6 𝑁
𝑇 = 143.64 𝑁𝑚
𝐹𝑝 = 625.5 𝑁
𝐹𝑚 = 208.5 𝑁
Una vez asignadas las cargas actuantes sobre la estructura se procede a
analizar los datos obtenidos por el software.
59
Figura 43. Captura de aplicación de cargas SolidWorks
4.8.2. ESFUERZO VON MISES
SolidWorks siendo un software para análisis de esfuerzos en estructuras no
estrega los resultados basándose en la ecuación 7; de tal manera indica el
análisis en la figura 44.
Figura 44. Captura de esfuerzo de Von Mises en SolidWorks
La figura 44 indica los resultados del análisis de los esfuerzos, teniendo que
en los soportes del asiento del piloto como en la dirección el esfuerzo máximo
de tensión () de Von Mises es de 307.1 𝑀𝑃𝑎, siendo un valor muy por debajo
60
del límite elástico de fluencia (Sy) del acero AISI 4130 que se encuentra entre
480 y 590 MPa de acuerdo a la tabla 2, por lo que la estructura no falla por
fatiga.
4.8.3. FACTOR DE SEGURIDAD
Para calcular el factor de seguridad se relaciona la resistencia de fluencia
𝑆𝑦 del acero AISI 4130 mostrado en la tabla 2 con el esfuerzo máximo
calculado que es de 307 𝑀𝑃𝑎.
Aplicando al ecuación 8 se tiene:
𝑛 =𝑆𝑦
𝜎
𝑛 =480 [𝑀𝑃𝑎]
307 [𝑀𝑃𝑎]
𝑛 = 1.563
Si 𝑛 es mayor a 1 entonces la estructura no falla por fatiga.
4.8.4. DESPLAZAMIENTOS RESULTANTES
Los desplazamientos resultantes hacen referencia a las desviaciones
vectoriales que se encuentran en una estructura, en este caso en el chasis.
Figura 45. Captura de desplazamientos del chasis en SolidWorks
61
En cuanto a los valores de desplazamiento, en la figura 45 se logra apreciar
que la estructura genera los mayores desplazamientos en la parte frontal del
chasis con un valor de 3.218 x10-4 mm lo cual no lo hace un valor significativo
para afectar la resistencia del chasis.
4.8.5. DEFORMACIÓN UNITARIA AQUIVALENTE
Estos desplazamientos refieren a la cantidad de deformación que el chasis
soporta en momento de un desplazamiento del go kart, esta deformación es
absorbida por el acero estructural otorgando estabilidad e impidiendo que el
go kart pierda adherencia de los neumáticos sobre el asfalto.
El análisis de los valores de la deformación del chasis se analizó utilizando los
datos de la figura 46.
Figura 46. Captura de deformación unitaria
Con el análisis del resultado indicado en la figura 46, se muestra que el chasis
tiende a sufrir una deformación en los soportes tanto de la dirección como del
asiento, pero este valor es de 1.189x10-003 siendo un valor no significativo que
pueda influenciar en el desempeño del go kart.
62
4.9. DISEÑO DEL CHASIS CON VELOCIDAD MÁXIMA EN
CURVA
Las fuerzas de inercia que se generan al tomar una curva a máxima velocidad
con el go kart fueron desarrolladas en la sección 4.4 y aplicaremos sus datos
en la simulación siguiente.
4.9.1. ASIGANCIÓN DE CARGAS
Las cargas determinadas en la sección 4.4.1 y 4.4.2, cuando el go kart realiza
una curva con su velocidad máxima, el chasis deberá soportar las siguientes
cargas:
𝐹𝑝.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 900 𝑁
𝐹𝑚.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 225 𝑁
𝑊𝑝 = 997.5 𝑁
𝑊𝑚 = 332.5 𝑁
𝑊𝑐ℎ = 266 𝑁
𝐹𝑒𝑚 = 957.6 𝑁
𝑇 = 143.64 𝑁𝑚
Figura 47. Captura de aplicación de cargas en SolidWorks
63
4.9.2. ESFUERZO VON MISES
Empleando la ecuación 7, el software nos genera el cálculo del esfuerzo
máximo de tensión de Von Mises.
Figura 48. Captura de esfuerzo de Von Mises en SolidWorks
La figura 48 indica los resultados del análisis de los esfuerzos soportados por
el chasis en curva a velocidad máxima, teniendo que en los soportes del
asiento del piloto como en la dirección el esfuerzo máximo de tensión () de
Von Mises es de 82.13 𝑀𝑃𝑎, siendo un valor muy por debajo del límite elástico
de fluencia (Sy) del acero AISI 4130 que se encuentra entre 480 y 590 MPa,
por lo que la estructura no falla por fatiga cuando es sometida a curvas en
velocidad máxima.
4.9.3. DESPLAZAMIENTOS RESULTANTES
Los desplazamientos resultantes hacen referencia a las desviaciones
vectoriales que se encuentran en una estructura, en este caso en el chasis del
go kart cuando toma una curva a su máxima velocidad.
64
Figura 49. Desplazamientos del chasis en curva con velocidad máxima.
En cuanto a los valores de desplazamiento, en la figura 49 se logra apreciar
que la estructura genera los mayores desplazamientos en la parte frontal del
chasis con un valor de 3.230 x10-4 mm lo cual no lo hace un valor significativo
para afectar la resistencia del chasis cuando tome una curva con su máxima
velocidad.
4.9.4. FACTOR DE SEGURIDAD
Para calcular el factor de seguridad se relaciona la resistencia de fluencia
𝑆𝑦 del acero AISI 4130 que se indica en la tabla 2, con el esfuerzo máximo
determinado que es de 82.13 𝑀𝑃𝑎.
Determinamos el factor de seguridad con la ecuación 8.
Se tiene:
𝑛 =𝑆𝑦
𝜎
𝑛 =480 [𝑀𝑃𝑎]
82.13 [𝑀𝑃𝑎]
𝑛 = 5.85
Si 𝑛 es mayor a 1 entonces la estructura no falla por fatiga, por tanto el chasis
no fallara en el momento de máxima velocidad en curva.
65
4.10. ANÁLISIS AERODINÁMICO DEL GO KART
Una vez analizadas las cargas que actúan sobre la estructura del go kart, y
ubicados los guardachoques en su posición, es necesario realizar un análisis
aerodinámico del monoplaza, con lo cual se pueda conocer factores de
resistencia del aire y su afectación en competencia.
4.10.1. RESISTENCIA DEL AIRE
El go kart se mueve a una velocidad máxima de 100 km/h, la cual va a ser la
velocidad del aire, para el área frontal del go kart utilizaremos las figuras 50 y
51, una vez determinados esos valores procedemos a aplicar la ecuación 9 y
obtenemos los resultados de la resistencia del aire.
Figura 50. Vista frontal de go kart
1.2m
66
Figura 51. Vista lateral de go kart
Utilizando la ecuación 9 se tiene:
𝑅𝑎𝑓 =1
2𝐶𝑥 ∗ 𝑝 ∗ 𝐴𝑓 ∗ 𝑉2
𝑅𝑎𝑓 =1
2(0.7) ∗ 0.94
𝑘𝑔
𝑚3 ∗ 1.03 𝑚2 ∗ (27.78𝑚
𝑠)2
𝑅𝑎𝑓 = 261.52 [N]
Este resultado se realiza tomando en cuanta un área rectangular basada en
el ancho total del go kart y de su altura mostrados en las figuras 40 y 41;
teniendo que el piloto se encuentra en su posición de manejo.
4.11. PRUEBAS DE CAMPO
Luego de culminar el proceso de fabricación de la estructura y el montaje de
todos los elementos que conforman el go kart, se procedió a realizar pruebas
de campo las cuales permitan verificar el funcionamiento y determinar la
eficiencia tanto de la estructura como de los demás sistemas.
Se utilizó la pista de go karts ubicada en el valle de los chillos con la finalidad
de probar el desenvolvimiento del chasis en condiciones de conducción
normales las cuales permiten una conducción ligera para luego pasar con las
0.86 m
67
condiciones más extremas con las cuales fue diseñado el chasis las cuales
son aceleración y frenado bruscas para esto se intenta alcanzar la aceleración
máxima y un frenado brusco, luego tomamos curvas a máxima velocidad.
Culminado las pruebas de campo se obtienen los siguientes resultados:
Estabilidad:
El chasis responde de manera eficiente en condiciones normales y extremas,
lo cual implica estabilidad en curvas y rectas.
Maniobrabilidad:
Al momento de conducirlo y tomar curvas el chasis nos permite una gran
maniobrabilidad con la velocidad que se alcanza en el circuito.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
68
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES
Al analizar detenidamente le reglamento de la FIA para el Karting se llega
a la conclusión de que es primordial reconocer los requerimientos y
exigencia de la categoría en la cual se vaya a participar para evitar posibles
descalificaciones.
Culminado el diseño de la estructura del go kart se determinó que el sobre
el chasis actúan varias cargas y esfuerzos para lo cual el diseño debe ser
el más minucioso ya que las cargas sobrepasan los 900 N.
Con la construcción del bastidor se concluye que el proceso de soldadura
por arco MIG/MAG es el más adecuado en cuanto se requiera calidad del
cordón de soldadura y estética del mismo.
En cuanto a la seguridad de la estructura, el cálculo del factor de seguridad
nos determinó que la estructura trabajara de una manera adecuada sin
producirse un fallo por fatiga del material seleccionado.
Ya con las pruebas de campo efectuadas en la pista ubicada en el valle de
los chillos, se llegó a concluir que es indispensable que la estructura no
tenga articulaciones ya que puede llagar a ocasionar daño al piloto por las
velocidades alcanzadas y los esfuerzos generados.
69
5.2. RECOMENDACIONES
Se recomienda en un futuro realizar futuras investigaciones que permitan
lograr mayores velocidades con seguridad que la estructura resistirá las
cargas.
Siempre al momento de diseñar una estructura tubular para competición,
se debe consultar un reglamento vigente el cual proporciones datos y
requerimientos técnicos los cuales bases el trabajo de diseño.
Al momento de diseñar cualquier estructura es primordial el cálculo de un
factor de seguridad el cual debe ser mayor que 1 lo cual garantiza que la
estructura no llegara a fallar por fatiga del material sea cual sea este.
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70
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ANEXOS
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ANEXOS
ANEXO 1
REGLAMENTO TÉCNICO DE KARTING
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ANEXO 2
VISTA AÉREA DE LA PISTA GO KART EN EL VALLE DE
LOS CHILLOS
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ANEXO 3
PLANOS Y DIMENSIONES DEL CHASIS
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