2 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN INGENIERÍA AERONÁUTICA “MODELADO Y ANÁLISIS DEL CHASIS DE UNA MOTOCICLETA” Tesina que presentan: David Isaac Trejo Gutiérrez Iván Chávez Martín Que para obtener el grado de: Ingeniero en Aeronáutica Octubre 2013
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MODELADO Y ANÁLISIS DEL CHASIS DE UNA MOTOCICLETA 2013.pdf · las de una motocicleta de turismo; su estética trata de imitar a las motos de competición de velocidad, adoptando
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN
INGENIERÍA AERONÁUTICA
“MODELADO Y ANÁLISIS DEL CHASIS
DE UNA MOTOCICLETA”
Tesina que presentan:
David Isaac Trejo Gutiérrez
Iván Chávez Martín
Que para obtener el grado de:
Ingeniero en Aeronáutica
Octubre 2013
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Resumen
El presente trabajo plantea una propuesta para chasis de motocicleta tipo deportiva
utilizando una estructura de armadura y titanio como material con el objetivo de tener
una estructura más ligera y que soporte las cargas características en una motocicleta
de este tipo.
El modelado se realizó en CATIA® teniendo en cuenta un chasis de estructura tipo
triangular y utilizando cuatro diferentes secciones transversales en los tubos. El análisis
de elemento finito para comprobar la integridad de la estructura por cargas estáticas se
realizó en ANSYS® así como el análisis modal para observar la rigidez de la estructura.
En este trabajo no se realizaron análisis dinámicos.
Abstract
This work presents a proposal for a sport motorcycle chassis using a frame structure
and titanium as material in order to get a lighter structure and support loads on a
motorcycle of this type.
The modeling was done in CATIA® considering a frame in a triangular structure and
using four different cross sections in the tubes. Finite element analysis to verify the
integrity of the structure by static forces was carried out in ANSYS® and modal analysis
to observe the rigidity of the structure. In this work, dynamic analyzes were not
performed.
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Situación Problemática
Un parámetro de diseño determinante en el rendimiento y éxito de Motocicletas
Deportivas es sin duda la Eficiencia Estructural, es decir la relación entre la Rigidez y el
Peso inherentes a la estructura.
Actualmente la mayoría de los Chasises para motociclismo deportivo se fabrican de
acero o aluminio, configuraciones con gran eficiencia estructural.
El hecho de contar con una Eficiencia Estructural cada vez más alta, permite al piloto
someter al vehículo a condiciones más críticas, como curvas más cerradas, frenados y
aceleraciones repentinas, así como movimientos donde la motocicleta sea sometida a
grandes cargas y esfuerzos de tensión, y torsión. Este tipo de maniobras donde la
motocicleta se ve altamente exigida estructuralmente, sin duda son determinantes en el
éxito de la misma en las competencias de velocidad.
Aunado a esto, un chasis más ligero, reduce el consumo de combustible, esto
permite a la motocicleta recorrer distancias más largas (vueltas) sin tener que recargar
combustible, aspecto muy importante en una competencia.
Si la Eficiencia Estructural de los chasises actuales para motocicletas deportivas
está afectando los triunfos de las Compañías de Motociclismo, entonces el fabricante
buscará chasises más eficientes estructuralmente.
Planteamiento del Problema
Para conseguir diseñar un Chasis para motocicleta deportiva más eficiente
estructuralmente, se debe optar por la configuración que por sí misma contribuya a
lograr el objetivo, encontrar un material fácil de manufacturar, disponible en el mercado
y a un costo razonable para la aplicación final, tomar en cuenta el proceso de
construcción que implicará la forma del chasis y el material elegido.
Es necesario conocer el tipo de cargas que actúan sobre este tipo de estructuras y a
qué tipo de esfuerzos y deformaciones se somete el material, para optar por la mejor
solución de diseño que resulte atractiva para el cliente.
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Objetivo general
Diseñar un Chasis de Titanio para Motocicleta Deportiva modelo BMW Krauser MKM
1000 que resulte más eficiente estructuralmente que uno hecho de Acero.
Objetivos específicos
1. Definir las características de diseño que tendrá el chasis propuesto para
motocicleta deportiva
2. Modelar el chasis propuesto con software CAD
3. Conocer el comportamiento estructural que tiene el chasis propuesto bajo
condiciones típicas en motocicletas deportivas
4. Definir los procesos de manufactura que requerirá la propuesta de diseño de
chasis para motocicleta deportiva
Preguntas de investigación
1. ¿Cuáles son las características de diseño que tendrá el chasis propuesto para
motocicleta deportiva?
2. ¿Cómo modelar el chasis propuesto con software CAD?
3. ¿Cuál es el comportamiento estructural que tiene el chasis propuesto bajo
condiciones típicas en motocicletas deportivas?
4. ¿Cuáles son los procesos de manufactura que requerirá la propuesta de diseño
de chasis para motocicleta deportiva?
Hipótesis
Si se diseña un Chasis de Titanio para Motocicleta Deportiva BMW Krauser MKM
1000, entonces se contará con una opción más eficiente estructuralmente para los
clientes de este producto.
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Introducción
Este trabajo describe el proceso y las consideraciones necesarias para diseñar el
Chasis de una motocicleta tipo deportiva.
Capítulo 1, Estado del Arte.
En este Capítulo se abordan los orígenes de la motocicleta y por ende su estructura,
la evolución del chasis y que parámetros se convirtieron en los principales
requerimientos de diseño; configuraciones de chasis y materiales usados actualmente,
sus ventajas y desventajas; así como las tendencias de diseño.
Capítulo 2, Definición de las Características de Diseño.
En este Capítulo se establecen las características de diseño del Chasis propuesto y
se justifica el porqué de la forma, materiales, y procesos de manufactura.
Capítulo 3, Modelado del Chasis.
En este Capítulo se describe el proceso que se siguió para modelar el Chasis en
base a las características de Diseño elegidas en el Capítulo 2. Las consideraciones que
se tomaron en cuenta teniendo en mente el comportamiento estructural y los procesos
de manufactura que se requerirán.
Capítulo 4, Análisis Estructural del Chasis.
En este Capítulo se describe las condiciones de frontera, propiedades de material,
tipo de mallado, método de solución y condiciones de carga tomadas en cuenta para
obtener los Modos de Vibración de la estructura así como los Esfuerzos y
Deformaciones en el material bajo Cargas Estáticas.
Capítulo 5, Procesos de Manufactura Aplicables al Chasis Propuesto
En este Capítulo se plantean los procesos necesarios para llevar a cabo la
construcción del Chasis propuesto, cuidando no modificar las características de diseño
establecidas.
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Marco Teórico
¿Qué es una motocicleta?
Comúnmente llamada “moto”, la motocicleta es un vehículo motorizado que puede
ser de 2 o 3 ruedas. Las motocicletas varían mucho de acuerdo a su propósito, como
puede ser largas distancias, viajes placenteros, ciudad, campo, todo terreno.
Las motocicletas son uno de los vehículos más económicos en todo el mundo, y más
usados también, teniendo en cuenta que es el vehículo motorizado más común.
Tipos de Motocicletas
A lo largo de la historia, y conforme a las circunstancias sociales se han desarrollado
diferentes tipos de motocicletas, pudiendo ser englobadas la mayoría como sigue:
Sport
Una motocicleta sport o deportiva es una motocicleta de altas prestaciones
destinada al uso en la vía pública con características de conducción más agresivas que
las de una motocicleta de turismo; su estética trata de imitar a las motos de
competición de velocidad, adoptando carenados en los que se favorece la penetración
aerodinámica a cambio de la disminución de la protección del piloto. La posición de
conducción de estas motocicletas es usualmente muy agresiva obligando al cuerpo a
estar muy adelantado. Se trata de motos muy potentes, en las que sus motores se
diseñan para obtener de ellos las máximas prestaciones, en detrimento de su
comportamiento a bajos y medios regímenes. Habitualmente son las motos de calle
con mejor relación peso/potencia. Esto se consigue con motores de alta cilindrad y
materiales ligeros.
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Figura M.1. Suzuki GSXR600
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.12).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
Scooter
Un scooter es un tipo de vehículo motorizado de dos ruedas con un cuadro abierto
en el que el conductor se sienta sin montar a horcajadas sobre parte alguna del motor.
La mayoría de los scooters modernos tienen ruedas más pequeñas que las
motocicletas. En contraste con la mayoría de las motocicletas, las scooters suelen
tener carrocería, incluyendo una protección frontal para las piernas y un cuerpo que
oculta toda o la mayor parte de la mecánica. El diseño clásico presenta un suelo plano
para los pies del conductor y a menudo incluye algún hueco de almacenaje integrado.
Hasta ahora, sus prestaciones eran modesta, dada la escasa cilindrada de sus
propulsores, si bien recientemente, han aparecido modelos con propulsores de hasta
650 c.c., con lo que se aumentan sus posibilidades de uso.
Figura M.2. Motocicleta Scooter
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.20).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
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Turismo
Es un tipo de motocicleta diseñado específicamente para realizar largos viajes.
Tienen motores de media cilindrada, una posición de conducción erguida, parabrisas y
tanque de combustible grandes, y suelen llevar maletas a los lados en la parte trasera.
Figura M.3. BMW R1200 RT
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.13).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
Gran Turismo
Son motocicletas dotadas de amplios carenados, con los que se ofrece una gran
protección a los ocupantes, dado que están pensadas para circular con pasajero. Dado
su alto peso, disponen de motores de alta cilindrada, con gran cantidad de par a bajo y
medio régimen, por lo que su nivel de prestaciones es inferior a lo que se podría
deducir de su cilindrada.
Figura M.4. Honda Gold Wing GL 1800
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.13).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
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Naked
Estas motos están desprovistas de cualquier tipo de carenado por lo que gran parte
de su mecánica está a la vista. Se comenzó a utilizar esta denominación con una
nueva generación de motocicletas, posterior a la implantación masiva del carenado, en
la que se pretende ofrecer una imagen retro tal y como eran las motos hasta entonces.
Figura M.5. Kawasaki Z1000
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.14).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
Custom
El término custom proviene originalmente del inglés to customize, que se refiere a la
personalización de algo que fue creado enserie de forma industrial e impersonal. En
este caso define un tipo de motocicleta que ofrece la posibilidad de personalización y
modificación de acuerdo a los gustos de su dueño.
Figura M.6. Harley-Davidson Springer
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.16).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
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Chopper
Una chopper es un tipo de motocicleta modificada que carece de elementos
innecesarios. Puede estar basada en una motocicleta de serie o ser creada desde cero.
Con respecto a las motocicletas tradicionales, las chopper suelen ser más livianas,
tienen tanques de combustible más pequeños y sus parabrisas, luces, guardabarros y
asientos son más pequeños o directamente fueron quitados.
Figura M.7. Motocicleta estilo chopper
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.16).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
Trail
En la actualidad son modelos de carretera con ciertas aptitudes para circular por
caminos y sendas forestales de escasa dificultad. Para ello, cuentan con suspensiones
de gran recorrido y rueda delantera de mayor diámetro, en ambos casos respecto a los
modelos de carretera. Son motos muy prácticas con grandes cualidades turísticas dada
su posición de conducción.
Figura M.8. Honda Africa Twin 750
Fuente: Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.17).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
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Cross
Este tipo de motocicletas están diseñadas para hacer motocross. Tienen las
suspensiones con más recorrido que otro tipo de motocicletas y se aplica toda la
potencia para sacarle la mayor aceleración posible ya que no hace falta que tengan
mucha velocidad. Son motocicletas que no están homologadas para circular por las
calles ya que carecen de faros y matrícula.
Figura M.9. Suzuki DR Z125
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.17).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
Ciclomotor
Constituyen la mayor parte de la producción de motocicletas, aunque la legislación
no las considere como tales. Su cilindrada está limitada a 50 c.c. y su velocidad
máxima a 60 km/h. En esta categoría se pueden encontrar desde scooters hasta motos
naked, deportivas, de campo, etc. Deben su éxito a su bajo precio y a la posibilidad de
conducirlos simplemente con una licencia desde los 14 años.
Figura M.10. Ciclomotor Aprilia
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.19).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
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Componentes Principales
Las partes que componen a la mayoría de las motocicletas son las siguientes:
Figura M.11. Partes de una motocicleta
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.21).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
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Motor
El motor es el encargado de generar el par necesario para acelerar la motocicleta.
Suelen usarse motores de combustión interna de dos o cuatro tiempos. El motor de
cuatro tiempos compite en las pequeñas cilindradas con el motor de dos tiempos que le
aventaja en simplicidad y ligereza, y en las grandes con su variante Diesel, que lo hace
en economía. La cilindrada depende del modelo de motocicleta en cuestión. Dejando a
un lado consideraciones sobre la suavidad y regularidad de marcha o arranque, se
puede afirmar que, salvo excepciones, siempre que se ha aumentado el número de
cilindros ha sido en busca de mayor potencia. Esto es así, porque en cualquier motor
sólo existen dos maneras de incrementarla con facilidad, que son aumentar la
cilindrada, o elevar el régimen de funcionamiento.
El motor, en muchos casos, tiene también una función estructural, ayudando así al
chasis a soportar los diferentes esfuerzos. La refrigeración del motor puede ser
mediante aire o agua.
Figura M.12. Motor de 4 tiempos, 2 cilindros horizontalmente opuestos.
Fuente: http://www.ketchum.org/BMWEnginePix/
Fecha de Consulta: 2013-Octubre-05
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Chasis
El chasis o bastidor de la motocicleta es la estructura que integra entre sí y sujeta
tanto los componentes mecánicos, como el grupo moto-propulsor y la suspensión de
las ruedas, incluyendo la carrocería si fuera el caso. Aporta rigidez y forma a la
motocicleta. Además sostiene varias partes mecánicas como el motor, la suspensión, el
sistema de escape y el sistema de dirección. Esto desde el punto de vista estático.
La función dinámica del chasis es -considerándolo como el componente más
significativo de una motocicleta- aportar fortaleza y estabilidad en diferentes
condiciones. Para que la motocicleta sea estable, el chasis debe soportar cargas en
flexión y torsión lo suficiente para mantener el eje de dirección en el mismo plano que
la llanta trasera, bajo cualquier tipo de condición (vuelta, frenado, aceleración,
impactos) sin deformación plástica en su estructura.
El chasis, que puede ser simple, de doble cuna, multitubular, de chapa estampada,
doble viga, monocasco, etc. Suele construirse preferentemente en acero o aluminio, en
casos más raros en magnesio, carbono o titanio. Formato a imagen
Figura M.13. Partes del Chasis
Fuente: M. Arias-Paz Guitan (2003, p.549). Motocicletas (32ª ed.)
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Si nos fijamos en la figura 1, por una parte tenemos la zona de anclaje de la
suspensión delantera “A”, que al ser esta habitualmente una horquilla telescópica, es
un eje que se denomina “pipa de dirección”. Por la propia estructura de la horquilla este
punto se sitúa en la parte delantera, en la parte más alta del chasis. El otro punto de
anclaje de la suspensión suele ser el eje del basculante “B”, que debe combinarse con
un soporte para el o los amortiguadores traseros “C”, e incluso los anclajes de las
bieletas de la suspensión trasera “D”, si es que éstas existen. Estas dos zonas están
sometidas a grandes esfuerzos, por lo que conviene que sean lo suficientemente
rígidas.
Por otro lado el chasis debe unir ambos anclajes con una estructura “E”, y aquí es
donde aparece la variedad. Los distintos tipos pueden realizarlo con tubos, chapas,
vigas gruesas, etc. Pudiendo ser éstos igualmente los empleados para los anclajes.
Otros elementos que debe tener el chasis son los anclajes para el motor “F”, lo
suficientemente resistentes como para que no les afecte ni el peso ni las vibraciones de
dicho motor. El motor es ocasionalmente parte de la estructura del chasis ya que,
debido a su gran resistencia, puede realizar funciones portantes, permitiendo que el
chasis sea más ligero.
También hay que sujetar al piloto mediante la estructura “G” (normalmente conocida
como subchasis) y a los diferentes elementos accesorios como el depósito de la
gasolina y la carrocería en general. Si se incluye el basculante trasero “H” como un
elemento del chasis, hay que señalar que esta pieza está sometida a unos grandes
esfuerzos y que debe ser muy resistente.
Eficiencia Estructural
Es la relación entre Rigidez (fuerza necesaria para tener un desplazamiento unitario)
y Peso de una estructura, entre más eficiente sea el chasis, pesara menos y será más
rígido.
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Software CAD
Computer-aided design (CAD) es el uso de programas computacionales para crear
representaciones gráficas de objetos físicos ya sea en segunda o tercera dimensión
(2D o 3D). El software CAD puede ser especializado para usos y aplicaciones
específicas. En las aplicaciones de diseño industrial y de producto, CAD es utilizado
principalmente para la creación de modelos de superficie o sólidos en 3D, o bien,
dibujos de componentes físicos basados en vectores en 2D. Sin embargo, CAD
también se utiliza en los procesos de ingeniería desde el diseño conceptual y hasta el
layout de productos, a través de fuerza y análisis dinámico de ensambles hasta la
definición de métodos de manufactura. Esto le permite al ingeniero analizar interactiva
y automáticamente las variantes de diseño, para encontrar el diseño óptimo para
manufactura mientras se minimiza el uso de prototipos físicos.
Software CAE
Ingeniería asistida por computadora (CAE) es el uso de software computacional para
simular desempeño y así poder hacer mejoras a los diseños de productos o bien
apoyar a la resolución de problemas de ingeniería para una amplia gama de
industrias. Esto incluye la simulación, validación y optimización de productos, procesos
y herramientas de manufactura.
Un proceso típico de CAE incluyen pasos de pre-procesado, solución y post-procesado.
En la fase de pre-procesado, los ingenieros modelan la geometría y las propiedades
físicas del diseño, así como el ambiente en forma de cargas y restricciones aplicadas.
En la fase de post-procesado, los resultados se presentan al ingeniero para su revisión.
Las aplicaciones CAE soportar una gran variedad de disciplinas y fenómenos de la
ingeniería incluyendo:
Análisis de estrés y dinámica de componentes y ensambles utilizando el análisis
de elementos finitos (FEA)
Análisis Termal y de fluidos utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD)