Diseño de Chasis para vehículos de competición

ProgramaPrograma

• La razón de ser de un chasisLa razón de ser de un chasis• Historia del chasis• Los tipos principales de chasis• Los tipos principales de chasis• Materiales

E t di d• Estudios de caso• Procedimiento para el diseño de un chasis• Clarificación de normas de jaula

antivuelco.

La razón de ser de un chasisLa razón de ser de un chasis

• Conectar las cuatroConectar las cuatro ruedas

• Estructura rígidag• Recibe todas las

cargasg• No importa el

vehículo el chasis solo es un medio

• Ubicar e unir

La razón de ser de un chasisLa razón de ser de un chasis

• El chasis es el ultimoEl chasis es el ultimo elemento en ir a la tabla de dibujo

• Debe ubicar todos los componentes en la posición mas ventajosa

Di t ib ió d– Distribución de masas– Flujos de cargas

La razón de ser de un chasisLa razón de ser de un chasis• En orden descendiendo

de magnitud las cargas del chasis son:– Suspensión trasera– Suspensión delantera y

dirección– Alerones– Motor y caja de cambios– Tanque de combustible– Asientos y ocupantes– Columna de dirección– Batería– Radiador

La razón de ser de un chasisLa razón de ser de un chasis• La ubicación de estos

componentes debe definir el diseño del chasis

• Especialmente los puntos de anclaje de la suspensiónp– Delantera– Trasera

• El numero de fuerzasEl numero de fuerzas depende directamente del tipo de suspensión utilizadautilizada

La razón de ser de un chasisLa razón de ser de un chasis• Anclaje del motor

El bl t / j d b– El ensamble motor/caja se debe anclar en al menos tres partes

– Dos delante del motor y una por debajo o encima de la caja.

El diseño del montaje debe• El diseño del montaje debe complementar el chasis

• Entre mas separados estén los puntos de anclaje menores las cargas transmitidas al chasis.

• Es importante tener bien definidas las líneas de flujo de carga entre el motor y loscarga entre el motor y los anclajes de suspensión, delanteros y traseros.

La razón de ser de un chasisLa razón de ser de un chasis• Los montajes de j

componentes pequeños es ignorada en lasignorada en las primeras fases del diseño

• Pero se debe tratar de considerar el

á i dmáximo de componentes.

• Ubicación de batería• Ubicación de batería

La razón de ser de un chasisLa razón de ser de un chasis

• Estructura perfectaEstructura perfecta– Tratar de que todos

los componentes estén ubicados de la manera mas rígida posible.p

– En caso de chasis tubular:

• Cercha isostática• Cargas de

tensión/compresion

Historia del chasisHistoria del chasis

• Chasis primitivo masChasis primitivo mas apto para construir puentes

• Son rígidos solamente en flexión

• Antes de la segunda guerra mundial los h i d ichasises eran de tipo

larguero

Historia del chasisHistoria del chasis• 1934 Auto Union (Audi)

primer chasis de tipo escalera.– Dos tubos paralelos de

ió d dsección redonda.• Al final del mismo año

Mercedes lanzo un chasis con la misma configuración– Tubos de sección

d dcuadrada• Referencia hasta los

años 50

Historia del chasisHistoria del chasis• En 1952 aparecieron p

dos chasises de tipo cercha en el espacio

Lotus Mk 6– Lotus Mk. 6– Mercedes 300 SL

• El éxito lo llevo a ser muy ampliamente utilizado

• Además se adaptoAdemás se adapto para vehículos de calle– Puertas

Historia del chasisHistoria del chasis

• En 1962 se lanzo elEn 1962 se lanzo el Lotus 25

• Primer chasis de tipo pmonocaso o monococo

• Quiere decir que chasis y carrocería

l ison la misma cosa

Historia del chasisHistoria del chasis• Este tipo de chasis se

adapta muy bien a las necesidades de un monoplaza– Estructuras delantera y

central– No así para

compartimiento delcompartimiento del motor

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

Chasis en escalera o bituboChasis en escalera o bitubo

• Los constructores hanLos constructores han mostrado a través del tiempo la eficiencia en torsión de los perfiles tubulares

b l lsobre los largueros en I

• EL chasis mas• EL chasis mas sencillo es el chasis de escalera o bitubode escalera o bitubo

Chasis en escalera o bituboChasis en escalera o bitubo• Este tipo de chasis consiste

d i d ióen dos vigas de sección tubular laterales, unidas por refuerzos transversales, diagonales o los dos.g

• Estos refuerzos entregan rigidez en torsión y permite fijar los componentes.

• El material mas común para este tipo de chasis es tubería de 3” o 31/2” calibre 1616

• Soldada con electrodo revestido o gas.

Chasis en escalera o bituboChasis en escalera o bitubo• Pesado• Falto de rigidez

torsional• Durable• Fácil de realizar• No sufre daños

graves en accidentes• Los componentes• Los componentes

mecánicos son de fácil acceso

Chasis en escalera o bituboChasis en escalera o bitubo• Une vez se ubican elUne vez se ubican el

motor, la caja y el asiento del pasajero es fá il d t i lfácil determinar la posición de los tubos.

• La rigidez en torsión no• La rigidez en torsión no varía mucho con estos tubos y depende principalmente de la sección de los mismos

Chasis en escalera o bituboChasis en escalera o bitubo• Es importante que los p q

soportes de la suspensión delantera sean muy rígidos ysean muy rígidos y alimenten las cargas al chasis de manera adecuada.

• Deben incluirse mamparos para soportar timón y sistemas de direccions ste as de d ecc o

Chasis multi tubularChasis multi tubular• En teoría el termino

multi tubular podriareferirse a cualquier chasischasis

• Sin embargo en la practica se refiere apractica se refiere a un chasis que tiene cuatro miembros l t llaterales y poca o ninguna triangulación entre estose t e estos

Chasis multi tubularChasis multi tubular

• Generalmente unGeneralmente un chasis de este tipo de chasis tiene una baja eficiencia estructural

• Sin embargo son mejores que los chasises en escalera y su produccióny su producción cuesta menos que la cercha completacercha completa.

Chasis multi tubularChasis multi tubular

• Se requieren tubosSe requieren tubos con un diámetro relativamente importante.

• Se requiere mucha atención a las juntas soldadas.S d b i l i i• Se debe incluir ciertas diagonales para rigidizarrigidizar

Chasis multi tubularChasis multi tubular• La accesibilidad a los

componentes es mas difícil que en un chasis escalera pero es muyescalera, pero es muy dependiente del diseño.L d bilid d d d• La durabilidad depende del peso pero las cargas de flexión en gjuntas soldadas lo hace frágil.

Chasis multi tubularChasis multi tubular

• El área que masEl área que mas afecta la rigidez de este tipo de chasis es el área del piloto ya que es prácticamente i ibl tiliimposible utilizar diagonales.

Chasis cerchaChasis cercha

• Por definición unaPor definición una cercha en el espacio es una estructura isostática

• Las juntas podrían ser reemplazadas por rotulas haciendo que las cargas en todoslas cargas en todos los miembros sean de tracción / compresióntracción / compresión

Chasis cerchaChasis cercha

• Es uno de losEs uno de los chasises mas eficientes desde el punto de vista estructural

• Es ampliamente rígido en torsión y en flexiónflexión

Chasis cerchaChasis cercha• Un chasis cercha ideal

consistiría de una caja rectangular con diagonales en todas sus caras diagonalizadas.

• Sin embargo este tipo g pde chasis es imposible,

• Por esto el chasis se parte en 3 o 4 subparte en 3 o 4 sub marcos donde se intenta realizar cerchas.

Chasis cerchaChasis cercha

• Los costos deLos costos de fabricación y el diseño de matrices para la soldadura del chasis son altos, sin

b l t iembargo la materia prima es mas económicaeconómica.

Chasis cerchaChasis cercha• En el diseño de

vehículos de competencia la accesibilidad es igualaccesibilidad es igual de importante a las prestaciones estructuralesestructurales.

• Se debe poder cambiar los componentes con la pmayor brevedad posible

Chasis cerchaChasis cercha

• Este chasis es muyEste chasis es muy durable porque las cargas son axiales

• Su principal razón de falla es la corrosión interna de los tubos.

• se deben sellar los i i d l binteriores de los tubos para evitar la entrada de humedadde humedad.

Chasis cerchaChasis cercha

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

Monocasco o MonococoMonocasco o Monococo

• El principio delEl principio del monocasco se basa en que las cargas son absorbidas por la piel

• Su inspiración es natural, proviene del huevo donde la cascara es altamentecascara es altamente eficiente.

Monocasco o MonococoMonocasco o Monococo• Las primeras p

aplicaciones en ingeniería fueron en la aeronauticaaeronautica

• Consiste en un chasis creado a partir de l i fi tili dlaminas finas, utilizando las mamparos de soporte que permiten p q ptransmitir las cargas a la piel

Monocasco o MonococoMonocasco o Monococo• Desde el punto de p

vista de torsión el monocasco ideal consiste en un tuboconsiste en un tubo redondo donde se tapan las dos caras.p

• Sin embargo en la practica la mayoría de llos monocascos se basan en secciones rectangulares ampliasecta gu a es a p as

Monocasco o MonococoMonocasco o Monococo

• Si el diseñoSi el diseño estructural es el correcto, se pueden diseñar chasis con espesores de lamina

b j 0 8 1muy bajos 0.8-1mm• Soporte de motores

del DeHavilanddel DeHaviland Comet Acero calibre 26 en monocasco26 en monocasco

Monocasco o MonococoMonocasco o Monococo

• Es mas eficienteEs mas eficiente estructuralmente que una cercha

• La accesibilidad depende del diseño y de la rigidez deseada

• Se realizan con h é imucho éxito

utilizando materiales compuestoscompuestos

MaterialesMateriales• Los dos factores

principales a tener en cuenta a la hora de realizar la selecciónrealizar la selección de materiales son la idoneidad del material para la función y el costoM l i• Monocasco en lamina

• Monocasco en fibra o maderamadera

MaterialesMateriales

• Para la fabricación dePara la fabricación de chasises tubulares, existe una gran variedad de aceros.

• SAE 4130 Cromo Molibdeno

• Acero al carbono SAE 1010 1020 T b í1010-1020 Tubería estructural

MaterialesMateriales• En un chasis cercha, ,

debido a la naturaleza de las cargas, el uso de acero al carbono esacero al carbono es completamente aceptableSi b• Sin embargo en un chasis tipo escalera o miltitubular, se ,recomienda el uso de un acero mas resistenteresistente.

Soldadura de arco vs. Soldadura autógena

• Soldadura de arcoC i t

• Soldadura Autógena de bronce o latón– Consiste en generar un arco

eléctrico que funde un metal de aporte

– El enfriamiento es generalmente rápido y genera

bronce o latón– Consiste en fundir el bronce o

latón hasta su temperatura de liquidus.posteriormente este se aplica ageneralmente rápido y genera

fragilidad en la pieza reduciendo su duración de vida en fatiga.

– Es un proceso altamente id

– posteriormente este se aplica a la junta.

– Las juntas tienen una resitenciasimilar a las juntas soldadas sin tener los problemas de

conocido – La mejor forma de soldadura de

arco es el TIG– Permite rellenar espacios

pfragilidad.

– Se debe tener tolerancias muy precisas entre las piezas a unir

– La limpieza de las mismas j l f d t ljuega un rol fundamental.

– Este procedimiento debe ser realizado por un experto

Placas de refuerzo estructuralPlacas de refuerzo estructural• En caso de utilizar un

chasis de tipo cercha o multitubular, se recomienda recubrirrecomienda recubrir la parte exterior y el piso de este en una plamina delgada que puede ser remachada al mismoal mismo, aumentando aún mas la resistencia rigidez.

Manejo de las juntas en la tubería

• Las juntas de tubería deben i l hser muy precisas a la hora

de unirse, para minimizar la luz y por ende la cantidad de soldadura requerida.q

• Se debe además incluir refuerzos (pie de amigo) en las juntas mas débiles de la estr ct raestructura.

• Para la fabricación de las juntas se recomienda el programa WINMITER queprograma WINMITER que permite imprimir un desarrollo de la intersección en escala 1:1

El uso de materiales compuestos

• Los materiales compuestos se adaptan principalmente a la fabricación deprincipalmente a la fabricación de monocascos.

• Esta es la forma de construcción mas utilizada en la competición de hoy

• Consisten en una matrizPoliéster– Poliéster

– Vinilester– Epoxica

• Y un refuerzo– Fibra de carbono

Fib d id i– Fibra de vidrio– Kevla– Fibra de boro

• Para utilizar los compuestos como parte estructural se recomienda utilizar

t t d ti á d i h biestructuras de tipo sándwich que ubican un material de alta resistencia al corte entre las dos laminas de compuesto.

– Honeycomb– Espumas

M d– Madera

El uso de la maderaEl uso de la madera• La madera es un material

tcompuesto– Celulosa– Sabia

L d t• La madera correcta es mas eficiente que el acero y el aluminioS h li d• Se han realizado chasises en contraplacado (triplex) con mucho éxitocon mucho éxito.

• Tiene el problema que no se buena resistiendo el calor y la humedadcalor y la humedad.

Chasis de MonopinChasis de Monopin• Es un vehículo de tipo p

monocasco en aluminio.S di ñ i l• Su diseño es simple y el chasis tiene un peso muy bajo (carropeso muy bajo (carro completo 295Kg)

• Se fabrico en lamina de aluminio calibre 18 y remaches pop de 5/32”5/32

Chasis de MonopinChasis de Monopin

• También incluyeTambién incluye mamparos fabricados en tubería cuadrada de 1” que son remachados a la l ilamina.

• La estructura forma, la carrocería la celulala carrocería, la celula de supervivencia y el chasischasis

Chasis de MonopinChasis de Monopin

Gould TerrapinGould Terrapin

• Chasis en cerchaChasis en cercha• Fabricado en dos

partes para facilitar p pacceso al motor

• Cercha reforzada con lamina de aluminio remachada

• Chasis muy liviano y eficiente

Gould TerrapinGould Terrapin

Procedimiento de diseño de chasis

• Inicialmente se ubican en el espacio los diferentes componentes delcomponentes del vehículo.

• Así se garantiza la di t ib ió t ddistribución correcta de masas

• Se recomienda tambiénSe recomienda también definir rutas de acceso a componentes

Procedimiento de diseño de chasis

• Posteriormente sePosteriormente se realiza un primer bosquejo de chasis. Que aparentemente tenga un alto grado d i idde rigidez.

Procedimiento de diseño de chasis.

• Posteriormente se realiza un analisis de rigidez torsional. Se empotra la parteempotra la parte trasera del chasis y se aplica un torque en p qla delantera.

• Objetivo: 10 veces la i id d lrigidez de la

suspensión mas rígida.g da

Una manera curiosa de optimizar

• A veces no se cuentaA veces no se cuenta con los recursos para optimizar un chasis a partir de muchos análisis diferentes de

l t fi itelementos finitos.• Existe una manera

mas practica demas practica de realizar esta optimizaciónoptimización

Verificación de cargas puntuales en apoyos

• Una vez se esta satisfecho con la rigidez del chasis en torsión se dimensionantorsión, se dimensionan los puntos de anclaje y se verifica su resistenciaresistencia.

• IMPORTANTE!!!!– Los carros de carreras

se diseñan en busca de la rigidez no de la resistencia

Normativa para el diseño de la jaula antivuelco

Peso del vehículo Tipo de tuberíaHasta Diámetro 1 3/8 “ espesor 2mmHasta Diámetro 1 3/8 espesor 2mmEntre 681.2 y Diámetro 1 3/8 “ espesor 2.5mmMas de Diámetro 1 ½ “ espesor 2.5mm