UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIALrepositorio.ute.edu.ec/bitstream/123456789/16594/1/69902... · 2018. 4. 4. · DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN Yo, BERRONES MOLINA JOFFRE JOSE, CI.

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE

SUSPENSIÓN EN UN REMOLQUE DE SIETE TONELADAS

PARA EL MINI BULLDOZER A ORUGA

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

JOFFRE JOSÉ BERRONES MOLINA

Director: ING. EDWIN TAMAYO AVALOS, MSc.

Quito, noviembre 2017

© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2017

Reservados todos los derechos de reproducción

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 1721322665

APELLIDO Y NOMBRES: Berrones molina Joffre José

DIRECCIÓN: San Pablo de Turubamba

EMAIL: [email protected]

TELÉFONO FIJO: 2695365

TELÉFONO MOVIL: 0998194742

DATOS DE LA OBRA

TITULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA

DE SUSPENSIÓN EN UN REMOLQUE DE

SIETE TONELADAS PARA EL MINI

BULLDOZER A ORUGA

AUTOR: Berrones Molina Joffre José

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO

DE TITULACIÓN:

Quito, noviembre 2017

DIRECTOR DEL PROYECTO DE

TITULACIÓN:

ING. EDWIN TAMAYO, MSc.

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ

RESUMEN: El propósito principal del proyecto fue diseñar e implementar un sistema de suspensión para un remolque, este sistema tendrá una capacidad de carga de siete toneladas para transportar un mini-bulldozer, el diseño acatará las especificaciones técnicas en pesos y dimensiones que dictamina el Acuerdo Ministerial 018-2016 del Ministerio de Transporte y Obras Públicas. Además, este proyecto tuvo como finalidad comparar el funcionamiento de tres tipos de suspensiones como: la suspensión mecánica, neumática e hidráulica vigentes en el mercado nacional, como primer punto se recopiló información acerca del funcionamiento, partes, montaje, entre otras y posteriormente se realizó la

x

comparación de los tres sistemas de suspensión por ende, se determinó el sistema de suspensión idóneo que fue implementado. Se destacó la información acerca de la suspensión mecánica por muelles parabólicos u hojas de ballestas por sus bajos costos, fácil adquisición y un montaje no tan demoroso, para esto se planteó ecuaciones de diseño mecánico para realizar un proceso de cálculos necesarios que determinó con efectividad las dimensiones de los elementos que conformó el sistema de suspensión mecánica por hojas ballestas, en el proceso de cálculos se detalló el análisis de las cargas vivas y cargas muertas a las que estuvo sometido el sistema de suspensión, el cálculo del número de hojas de ballesta dio como resultado que para soportar siete toneladas se necesita 4 paquetes de hojas de ballesta cada uno conformado de 5 hojas de ballesta que tendrán una dimensión de: longitud de 1100 mm, ancho de 100 mm y un espesor de 10 mm, una resistencia permisible de 120 Kp/mm2 y un factor de seguridad de 1,5. Se calculó las dimensiones el eje fabricado de acero ASTM 53 que dio como resultado: una longitud de 2400 mm, diámetro exterior de 90 mm, diámetro interior de 76,2 mm, una resistencia mecánica de 42,2 kg/mm2 y un factor de seguridad de 1,02. Se calculó las dimensiones de las placas porta ballestas que dio como resultado 120 mm de largo, 100 mm de ancho y un espesor de 6 mm fabricados de acero A-36, laminado en caliente con una resistencia a la tensión de 399,89 MPa, con un factor de seguridad 1,9. Se utilizó un programa de simulación para analizar los esfuerzos del material y el factor de seguridad de cada elemento del sistema de suspensión, verificando si las dimensiones, espesores y diámetros están dentro del rango de un diseño seguro que sería mayor o igual a uno (n≥1) y para finalizar se realizó

pruebas de funcionamiento bajo carga que confirmo el correcto funcionamiento del sistema de suspensión del remolque que tendrá una capacidad de siete toneladas.

PALABRAS CLAVES: Suspensión, Remolque, Neumático,

Eje, Mini-bulldozer.

ABSTRACT:

The main purpose of the project was to design and implement a suspension system for a trailer, this system will have a load capacity of seven tons to transport a mini-bulldozer, the design will comply with the technical specifications in weights and dimensions dictated by Ministerial Agreement 018 -2016 of the Ministry of Transport and Public Works. In addition, this project aimed to compare the operation of three types of suspensions such as: mechanical, pneumatic and hydraulic suspension in force in the national market, as the first point was collected information about the operation, parts, assembly, among others and later was made the comparison of the three suspension systems, therefore the ideal suspension system that was implemented was determined. The information about the mechanical suspension by parabolic springs or leaf springs was highlighted due to its low costs, easy acquisition and a not so delayed assembly, for this purpose it was proposed mechanical design equations to perform a necessary calculation process that effectively determined the dimensions of the elements that formed the system of mechanical suspension by leaf springs, in the calculation process detailed the analysis of the live loads and dead loads to which the suspension system was subjected, the calculation of the number of leaf springs gave as a result, to support seven tons, 4 packages of leaf springs are needed, each consisting of 5 leaf springs that will have a dimension of: length of 1100 mm, width of 100 mm

and a thickness of 10 mm, a permissible strength of 120 Kp / mm2 and a safety factor of 1.5. The dimensions were calculated from the ASTM 53 steel shaft which resulted in a length of 2400 mm, outside diameter of 90 mm, inside diameter of 76.2 mm, a mechanical strength of 42.2 kg / mm2 and a factor of 1.02 security. The dimensions of the leaf spring plates were calculated resulting in 120 mm long, 100 mm wide and 6 mm thick made of steel A-36, hot rolled with a tensile strength of 399.89 MPa, with a safety factor 1.9. A simulation program was used to analyze the material stresses and the safety factor of each element of the suspension system, verifying if the dimensions, thicknesses and diameters are within the range of a safe design that would be greater than or equal to one (n ≥1) and to finish it was performed under load tests that confirmed the correct operation of the trailer suspension system that will have a capacity of seven tons.

KEYWORDS

Suspension, Trailer, Tire, Axle, Mini-

bulldozer.

Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio

Digital de la Institución.

DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN

Yo, BERRONES MOLINA JOFFRE JOSE, CI. 1721322665 autor del proyecto titulado:

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN EN UN REMOLQUE DE

SIETE TONELADAS PARA MINI BULLDOZER A ORUGA, previo a la obtención del título de

INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.

1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de

Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de

Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del

referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de

información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública

respetando los derechos de autor.

2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una

copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio

que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual

vigentes.

Quito ,22 de noviembre 2017

DECLARACIÓN

Yo, BERRONES MOLINA JOFFRE JOSE, declaro que el trabajo aquí

descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún

grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias

bibliográficas que se incluyen en este documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos

correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad

Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e implementación

del sistema de suspensión en un remolque de siete toneladas para mini

bulldozer a oruga” que, para aspirar al título de INGENIERO AUTOMOTRIZ

fue desarrollado por BERRONES MOLINA JOFFRE JOSÉ, bajo mi dirección

y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y

cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de

Titulación artículos 19, 27 y 28.

DEDICATORIA

Este trabajo dedico primeramente a DIOS por haberme dado vida, salud y

bendiciones en el transcurso de mi proceso de titulación realizado a base de

mucho esfuerzo, sacrificio y constancia, por haberme acompañado y guiado

a lo largo de mi carrera, por ser mi fortaleza en los momentos de debilidad y

por llenar de alegría mi corazón las veces que la soledad y la desesperación

se apoderaba de mí ser.

A MIS PADRES JOSÉ BERRONES Y GLADYS MOLINA, por apoyarme en

todo momento siendo mis pilares de apoyo en todo el momento de mi

existencia, por los valores que me han inculcado a ser respetuoso, honesto y

perseverante, por haberme dado la oportunidad de tener una excelente

educación en el transcurso de mi vida, por las enseñanzas que me guiaron al

camino del bien y sobre todo por ser un ejemplo de vida a seguir.

A MI HERMANA PAMELA BERRONES, por ser parte Fundamental de mi

vida llenándome de alegría y representar la unión familiar.

AGRADECIMIENTO

Primeramente expreso mi sincero agradecimiento a mis padres JOSÉ

BERRONES Y GLADYS MOLINA, por ser la fortaleza principal de mi vida,

quienes me han apoyado en la toma de mis decisiones de la mejor manera a

lo largo de mi carrera y de mi vida.

Agradezco profundamente a cada uno de los Ingenieros docentes quienes me

brindaron sus conocimientos impartidos en cada una de sus cátedras, que con

empeño y dedicación supieron inculcar en mí todas sus enseñanzas, en

especial a mi director de tesis ING. EDWIN TAMAYO, por su paciencia y

dedicación en el transcurso de realización de mi proyecto de tesis, por haber

compartido sus conocimientos que me ayudaron a culminar mi trabajo de

titulación.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN 1

ABSTRACT 2

1. INTRODUCCIÓN 3

2. METODOLOGÍA 19

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 21

3.1. ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y DISEÑO DEL SISTEMA DE

SUSPENSIÓN 21

3.1.1. DISEÑO DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN 22

3.2. SELECCIÓN DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN 24

3.2.1. DISEÑO DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN DE MULLES

PARABÓLICAS U HOJAS BALLESTAS 26

3.2.2. SIMULACIÓN DE LAS HOJAS DE BALLESTA 28

3.3. SELECCIÓN DE NEUMÁTICOS 29

3.3.1. CÁLCULO DE LA LONGITUD DE LA RAMPA DEL

REMOQUE 31

3.4. SELECCIÓN DE EJES 32

3.4.1. SIMULACIÓN DE EJE 34

3.5. PLACA PORTA BALLESTAS 35

3.5.1. SIMULACIÓN DE LAS PLACAS PORTA BALLESTAS 39

3.6. SELECCIÓN DE LOS PASADORES DE LAS HOJAS DE

BALLESTA 40

3.6.1. SIMULACIÓN DEL PASADOR. 42

3.7. PROCESO DE MONTAJE DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN 43

3.7.1. CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DE LAS PLACAS PORTA

BALLESTAS 43

3.7.1.1. Proceso de trazado 43

3.7.1.2. Proceso de corte. 44

3.7.1.3. Proceso de soldadura 45

3.7.2. MONTAJE DE LOS MUELLES HELICOIDALES U HOJAS

DE BALLESTA 45

3.7.3. MONTAJE DEL EJE EN EL SISTEMA DE SUSPENSIÓN 46

3.7.3.1. Proceso de trazado del eje 46

3.7.3.2. Proceso de corte 46

3.7.3.3. Proceso de soldadura 47

3.7.3.4. Proceso de pintura 48

3.7.3.5. Proceso de sujeción del eje al sistema de suspensión 49

ii

3.7.3.6. Montaje de los neumáticos 49

3.7.3.7. Montaje de los colgantes en el sistema de suspensión 50

3.7.4. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE

SUSPENSIÓN 51

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 53

4.1. CONCLUSIONES 53

4.2. RECOMENDACIONES 54

5. BIBLIOGRAFÍA 55

6. ANEXOS 57

iii

ÍNDICE DE TABLAS PÁGINA

Tabla 1. Tabla nacional de pesos y dimensiones 21

Tabla 2. Alternativas de sistemas de suspensión 24

Tabla 3. Criterios de valoración. 26

Tabla 4. Conclusiones del método de evaluación. 26

Tabla 5. Cálculo del número de hojas de ballesta 27

Tabla 6. Radio de curvatura de las hojas de ballesta. 29

Tabla 7. Dimensiones de neumáticos para remolques 30

Tabla 8. Longitud de las rampas del remolque 31

Tabla 9. Cálculo y Selección de ejes 33

Tabla 10. Cálculos del esfuerzo de las placas porta ballestas 36

Tabla 11. Propiedades del Acero A-36 37

Tabla 12. Factor de modificación de la condición superficial 37

Tabla 13. Cálculo del factor de esfuerzos varios. 38

Tabla 14. Factor de seguridad de las placas porta ballestas 39

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Remolque 4

Figura 2. Sistema de suspensión 4

Figura 3. Elementos del Sistema de Suspensión de ballestas 5

Figura 4. Esfuerzos de flexión en la ballesta 6

Figura 5. Sección transversal de las ballestas 6

Figura 6. Placa porta ballestas 7

Figura 7. Soldadura efectos de cargas de tensión 8

Figura 8. Suspensión neumática 9

Figura 9. Fuelles neumáticos 9

Figura 10. Suspensión hidroneumática 10

Figura 11. Partes del sistema de suspensión hidroneumática 11

Figura 12. Rueda y Neumáticos 11

Figura 13. Cubierta y cámara de los neumáticos 12

Figura 14. Nomenclaturas del neumático 12

Figura 15. Identificación del neumático. 13

Figura 16. Diagrama de cuerpo libre del eje 15

Figura 17. Dimensiones del mini bulldozer 21

Figura 18. Mini bulldozer en el remolque 22

Figura 19. Cargas en el sistema de suspensión 22

Figura 20. Cargas vivas y cargas muertas en el remolque 23

Figura 21. Distribución de cargas en el remolque 23

Figura 22. Ballestas sometida a cargas 27

Figura 23. Simulación de las hojas de ballesta 28

Figura 24. Factor de seguridad de las hojas de ballesta 28

Figura 25. Radio de los muelles helicoidales 29

Figura 26. Sistema de suspensión por ballestas 30

Figura 27. Ángulo de inclinación de la rampa 31

Figura 28. Cargas que soporta el eje 32

Figura 29. Diagrama de fuerza cortante 32

Figura 30. Diagrama de momento flector del eje 33

Figura 31. Simulación del eje 34

Figura 32. Factor de seguridad 34

Figura 33. Placa porta ballestas 35

Figura 34. Cargas en la placa porta ballestas. 35

Figura 35. Placa porta ballesta a compresión 36

Figura 36. Concentración de esfuerzos en la placa porta ballestas. 38

Figura 37. Simulación de la placa porta ballestas 39

Figura 38. Factor de seguridad de la placa porta ballestas 40

Figura 39. Pasador de las hojas de ballesta 40

Figura 40. Fuerzas cortantes en el pasador 41

v

Figura 41. Diagramas de fuerza cortante y momento flector del pasador 41

Figura 42. Esfuerzos y deformaciones del pasador 42

Figura 43. Factor de seguridad del pasador 43

Figura 44. Proceso de trazado 44

Figura 45. Proceso de trazado y perforación 44

Figura 46. Proceso de corte 45

Figura 47. Proceso de soldadura 45

Figura 48. Pasadores 46

Figura 49. Proceso de trazado del eje 46

Figura 50. Proceso de corte del eje 47

Figura 51. Proceso de soldadura 47

Figura 52. Eliminación de escoria del proceso de soldadura 48

Figura 53. Proceso de pintura 48

Figura 54. Proceso de sujeción entre las ballestas y el eje 49

Figura 55. Implementación de los neumáticos 49

Figura 56. Instalación de las gemelas en el sistema de suspensión 50

Figura 57. Proceso de sujeción de las gemelas de ballesta 50

Figura 58. Análisis del sistema de suspensión sin carga 51

Figura 59. Deformación de las hojas de ballesta sin carga 51

Figura 60. Pruebas del sistema de suspensión bajo cargas 52

Figura 61. Deformación de las hojas de ballesta bajo cargas 52

vi

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

Anexo 1. Acuerdo ministerial 018-2c16 del Ministerio de Transporte y

Obras Públicas (MTOP) 57

Anexo 2. Catálogo de neumáticos de la Empresa Firestone 58

Anexo 3. Catálogo de neumáticos de la Empresa Bridgestone 60

Anexo 4. Catalogo técnico de muelles parabólicos 62

Anexo 5. Datos técnicos de la plancha de Acero A-36 63

Anexo 6. Datos técnicos de la tubería de Acero A-36 64

Anexo 7. Datos técnicos de los pernos de Acero G8 65

Anexo 8. Datos técnicos de los pernos de Acero Unc G8 66

Anexo 9. Datos técnicos de los pernos de Acero G8 67

Anexo 10. Datos técnicas del tubo petrolero ASTM A 53 Grb 68

Anexo 11. Catálogos De La Empresa Trading Fabricantes De

Mini-Bulldozer 69

1

RESUMEN

El propósito principal del proyecto fue diseñar e implementar un sistema de

suspensión para un remolque, este sistema tendrá una capacidad de carga

de siete toneladas para transportar un mini-bulldozer, el diseño acatará las

especificaciones técnicas en pesos y dimensiones que dictamina el Acuerdo

Ministerial 018-2016 del Ministerio de Transporte y Obras Públicas. Además,

este proyecto tuvo como finalidad comparar el funcionamiento de tres tipos de

suspensiones como: la suspensión mecánica, neumática e hidráulica vigentes

en el mercado nacional, como primer punto se recopiló información acerca del

funcionamiento, partes, montaje, entre otras y posteriormente se realizó la

comparación de los tres sistemas de suspensión, por ende se determinó el

sistema de suspensión idóneo que fue implementado. Se destacó la

información acerca de la suspensión mecánica por muelles parabólicos u

hojas de ballestas por sus bajos costos, fácil adquisición y un montaje no tan

demoroso, para esto se planteó ecuaciones de diseño mecánico para realizar

un proceso de cálculos necesarios que determinó con efectividad las

dimensiones de los elementos que conformó el sistema de suspensión

mecánica por hojas ballestas, en el proceso de cálculos se detalló el análisis

de las cargas vivas y cargas muertas a las que estuvo sometido el sistema de

suspensión, el cálculo del número de hojas de ballesta dio como resultado que

para soportar siete toneladas se necesita 4 paquetes de hojas de ballesta

cada uno conformado de 5 hojas de ballesta que tendrán una dimensión de:

longitud de 1100 mm, ancho de 100 mm y un espesor de 10 mm, una

resistencia permisible de 120 Kp/mm2 y un factor de seguridad de 1,5. Se

calculó las dimensiones el eje fabricado de acero ASTM 53 que dio como

resultado: una longitud de 2400 mm, diámetro exterior de 90 mm, diámetro

interior de 76,2 mm, una resistencia mecánica de 42,2 kg/mm2 y un factor de

seguridad de 1,02. Se calculó las dimensiones de las placas porta ballestas

que dio como resultado 120 mm de largo, 100 mm de ancho y un espesor de

6 mm fabricados de acero A-36, laminado en caliente con una resistencia a la

tensión de 399,89 MPa, con un factor de seguridad 1,9. Se utilizó un programa

de simulación para analizar los esfuerzos del material y el factor de seguridad

de cada elemento del sistema de suspensión, verificando si las dimensiones,

espesores y diámetros están dentro del rango de un diseño seguro que sería

mayor o igual a uno (n≥1) y para finalizar se realizó pruebas de funcionamiento

bajo carga que confirmo el correcto funcionamiento del sistema de suspensión

del remolque que tendrá una capacidad de siete toneladas.

Palabas claves: Suspensión, Remolque, Neumático, Eje, Mini-bulldozer.

2

ABSTRACT

The main purpose of the project was to design and implement a suspension

system for a trailer, this system will have a load capacity of seven tons to

transport a mini-bulldozer, the design will comply with the technical

specifications in weights and dimensions dictated by Ministerial Agreement

018 -2016 of the Ministry of Transport and Public Works. In addition, this

project aimed to compare the operation of three types of suspensions such as:

mechanical, pneumatic and hydraulic suspension in force in the national

market, as the first point was collected information about the operation, parts,

assembly, among others and later was made the comparison of the three

suspension systems, therefore the ideal suspension system that was

implemented was determined. The information about the mechanical

suspension by parabolic springs or leaf springs was highlighted due to its low

costs, easy acquisition and a not so delayed assembly, for this purpose it was

proposed mechanical design equations to perform a necessary calculation

process that effectively determined the dimensions of the elements that formed

the system of mechanical suspension by leaf springs, in the calculation

process detailed the analysis of the live loads and dead loads to which the

suspension system was subjected, the calculation of the number of leaf

springs gave as a result, to support seven tons, 4 packages of leaf springs are

needed, each consisting of 5 leaf springs that will have a dimension of: length

of 1100 mm, width of 100 mm and a thickness of 10 mm, a permissible strength

of 120 Kp / mm2 and a safety factor of 1.5. The dimensions were calculated

from the ASTM 53 steel shaft which resulted in a length of 2400 mm, outside

diameter of 90 mm, inside diameter of 76.2 mm, a mechanical strength of 42.2

kg / mm2 and a factor of 1.02 security. The dimensions of the leaf spring plates

were calculated resulting in 120 mm long, 100 mm wide and 6 mm thick made

of steel A-36, hot rolled with a tensile strength of 399.89 MPa, with a safety

factor 1.9. A simulation program was used to analyze the material stresses

and the safety factor of each element of the suspension system, verifying if the

dimensions, thicknesses and diameters are within the range of a safe design

that would be greater than or equal to one (n ≥1) and to finish it was performed

under load tests that confirmed the correct operation of the trailer suspension

system that will have a capacity of seven tons.

Keyword (s): Suspension, Trailer, Tire, Axle, Mini-bulldozer.

1. INTRODUCCIÓN

3

1. INTRODUCCIÓN

Los sistemas de suspensión de los remolques que circulan en las diferentes

carreteras ecuatorianas no cumplen un correcto diseño, poniendo en riesgo la

seguridad de los usuarios debido a que las suspensiones no proporcionan

estabilidad a los remolques al momento de ponerlos en funcionamiento, por

otra parte no absorben las irregularidades de las vías por las que transitan

dañando y estropeando la carga transportada, por ende un correcto diseño e

implementación de un sistema de suspensión es un factor indispensable y

crucial, ya que el sistema aparte de adsorber las irregularidades de la calzada

tiene que proporcionar equilibrio al remoque para un correcto funcionamiento.

Este proyecto se realiza por la necesidad de un sistema de suspensión que

sea seguro y viable para implementarse en un remolque que tendrá una

capacidad de carga de siete toneladas que se utilizará para el traslado de un

mini-bulldozer, mismo que debe ser realizado bajo los estándares de medidas,

pesos y dimensiones como lo dispone el MTOP (Ministerio de Transporte y

Obras Públicas)

El objetivo principal de este proyecto es diseñar e implementar un sistema de

suspensión en un remolque de siete toneladas para un mini-bulldozer a oruga,

por ende para cumplir con este objetivo se plantea objetivos específicos como.

Analizar los diferentes tipos de sistemas de suspensión para el remolque que

trasportará al mini-bulldozer.

Determinar los parámetros que serán considerados en el diseño acorde a las

necesidades.

Diseñar los diferentes elementos que conforman la suspensión para el

remolque que transportará al mini-bulldozer.

Implementar el sistema de suspensión en el remolque que transportará al

mini-bulldozer.

Realizar pruebas para que se verifique el funcionamiento del sistema de

suspensión en el remolque que transportará al mini-bulldozer.

Para el desarrollo del proyecto fue necesario una búsqueda de información de

tres tipos de sistemas de suspensión como: mecánica, neumática e

hidroneumática, por consiguiente se efectuó una selección de alternativas

donde el sistema se suspensión mecánica por hojas de ballesta cumplió con

los requerimientos necesarios para ser implementado al remolque, por ende

se realizó un proceso de cálculos que determinaron el número de hojas de

ballesta, el tipo de neumático, la longitud de la rampa del remolque, el

diámetro del eje, el espesor de las placas porta ballestas y el diámetro del

pasador de la hoja maestra del conjunto de hojas de ballesta, por consiguiente

se utilizó un programa de simulación que analizo los diámetros y espesores

obteniendo los esfuerzos flexionantes y el factor de seguridad que si es mayor

o igual a uno cumple con las expectativas de un diseño seguro y para finalizar

se realizó pruebas de funcionamiento bajo carga, confirmando el correcto

funcionamiento del sistema que soportará siete toneladas.

4

El remolque se lo define como “Vehículo sin motor diseñado para ser halado

por un camión u otro vehículo motorizado, de tal forma que ninguna parte de

su peso descanse sobre el vehículo remolcador”, en la figura 1 se observa la

forma de un semi-remolque que ha sido diseñado para el transporte de

vehículos livianos u otro tipo de vehículo que no supere el tonelaje establecido

por el fabricante (Torres, 2012). Los remolques y semi-remolques varían de

formas y de tamaños acorde a las necesidades de transporte de cargas

pesadas incluyendo el número de ejes que puedan tener, por ende en el

proceso de diseño de un remolque o semi remolque se analiza los elementos

que se debe incorporar, estos sistemas fundamentales son: equipo rodante,

chasis, plataforma, sistema de suspensión, sistema de frenos, sistema

eléctrico, sistema de acople, cabrestante (Associates, 2005).

Figura 1. Remolque

(Newton, 2008)

El sistema de suspensión es un conjunto de elementos elásticos que se

incluyen entre los órganos suspendidos como son: bastidor, motopropulsor,

carrocería carga y los órganos que no están suspendidos: las ruedas, los

frenos y los puentes rígidos como se muestra en la figura 2. Entre las masas

suspendidas y las no suspendidas se incluyen los muelles o resortes y los

amortiguadores (Martinez, 2007). La suspensión tiene como función la de

mantener en todo momento las ruedas en contacto con el suelo, mejorando la

adherencia y el guiado del neumático; por lo tanto, el sistema de suspensión

es el encargado de resistir el peso del vehículo y adsorber las fuerzas

longitudinales, transversales y verticales que se originan durante la marcha,

contribuyendo en la estabilidad (Gómez, 2006).

Figura 2. Sistema de suspensión

(Rodríguez P. , 2004)

5

En el mercado ecuatoriano se dispone de varios sistemas de suspensión tales

y como son sistema de suspensión de muelles u hojas de ballestas, sistema

de suspensión neumático y sistema de suspensión hidroneumático, estos

sistemas se adaptan a cualquier mecanismo que necesite suspensión y en el

este caso de un remolque puede estar equipado ya sea con muelles o con

suspensión de bolsas de aire” (Associates, 2005).

La suspensión de muelles parabólicos o Ballestas cuenta con un

comportamiento elástico y disipativos al mismo tiempo, y por tanto tiene un

resultado dinámico que se define como vibratorio amortiguado, este sistema

cuenta con elementos elásticos que acumulan energía e idealmente la

devuelve de forma íntegra, y disipativos que amortiguan las irregularidades de

la calzada. (Rodríguez P. , 2004). El sistema de suspensión de muelles

parabólicos u hojas de ballesta está formado por un conjunto de láminas de

acero parabólicas, mismas que tienen distintos radios de curvatura y se unen

unas contra otras mediante el perno guía o capuchino y por esta razón se

obtiene una carga uniforme sobre las diferentes hojas de la ballesta. La hoja

de mayor longitud se llama hoja maestra y cumple la función de guía de los

muelles parabólicos u hojas de ballestas, así como de los ejes. La hojas de

ballesta cuentan con un elemento de sujeción adicional llamada abrazaderas,

las cuales mantienen unidas las hojas de ballesta (Werner, 1980). El sistema

de suspensión de muelles parabólicas como se muestra en la figura 3 está

conformado de: 1. Cuerpo de eje trasero 2. Amortiguador 3.ballesta 4.soporte

de ballesta con compensación longitudinal 5. Chapa guía 6. Brida en U 7. Tope

de goma 8. Amortiguador 9. Amortiguador (González T. , 2011).

Figura 3. Elementos del Sistema de Suspensión de ballestas

(González T. , 2011)

6

Las ballestas soportan predominantes esfuerzos de flexión (a) y esfuerzos a

tracción (b) producto de las cargas que recae en el sistema de suspensión

como se observa en la figura 4, el acero en que son fabricadas las ballesta

cuenta con una resistencia a la flexión permisible ( σ = sigma ) que va

aproximadamente de 50 a 80 kp/mm2 que transformado a kilogramos da un

valor de 50 a 80 kg/mm2 (Werner, 1980). Las hojas ballestas o muelles

parabólicos se fabrican acatando las normas DIN 17221 y DIN 17222, por lo

cual las láminas de acero DIN 17222 tienen un límite elástico de 1000 MPa

que transformado a kilogramos-fuerza se obtiene un valor de 101.97 kg/mm2

y las láminas de acero DIN 17221 que tienen un límite elástico de 120 kg/mm2

(Bosch R. , 2005).

Figura 4. Esfuerzos de flexión en la ballesta

(Werner, 1980)

Para el proceso de cálculos donde se determinará las dimensiones de las

hojas de ballestas, estas se dividen en tres partes por efecto del perno

capuchino que bloquea las hojas de ballesta creando dos extremos que se

encuentran empotrados en el chasis y una central unida al aje mediante

abrazaderas, por ende para mayor facilidad en el proceso de cálculo se

analizará el extremo derecho como se observa en la figura 5 (Rodríguez P. ,

2004).

Figura 5. Sección transversal de las ballestas

(Werner, 1980)

7

El número de las hojas de ballestas (n) se calculará mediante la ecuación [1],

donde se ingresa valores provenientes de la fuerza máxima (F), que soportará

los extremos de las hojas de ballesta y las dimensiones de un número

determinado de hojas de ballesta (Werner, 1980).

F =n∗b∗h2.σ

6l [1]

(Werner, 1980)

Donde:

n: Número de hojas de ballesta

b: Ancho de las hojas de ballesta (mm)

h: Espesor de la hoja de ballesta (mm)

l: Longitud de la hoja de ballesta (mm)

F: Carga en las hojas de ballestas (kg)

σ: Resistencia a la flexión permisible (Kp/mm2)

La unión del sistema de suspensión por muelles parabólicos u hojas de

ballesta al chasis se realiza en la hoja superior denominada hoja maestra, la

cual presenta en cada uno de sus extremos un alojamiento (ojo) destinado a

alojar a los bulones de articulación con la masa suspendida, dado que no

pueden ser soldadas de forma rígida al vehículo, por la deformación elástica

existente en la conducta normal de las hojas de ballesta, es necesario instalar

en uno de sus extremos una pieza denominada gemela, constituida por dos

bieletas unidas entre sí por dos bulones que hacen de articulación como se

muestra en la figura 6. (Rodríguez P. , 2004)

Figura 6. Placa porta ballestas

(González T. , 2011)

El chasis del remolque debe constar de placas porta ballestas, mismas que

se unen a las hojas de ballesta por medio de un pasador, cada placa se fija al

chasis mediante un proceso de soldadura que genera un cordón de soldadura

mismo que puede ser a tope o filete como se muestra en la figura 7, por ende

para determinar las dimensiones del cordón de soldadura y el esfuerzo normal

por acción de la cargas a tensión (a) a las que estará sometido el sistema de

suspensión se utilizará la ecuación [3] (Nisbett, 2008).

8

Figura 7. Soldadura efectos de cargas de tensión

(Nisbett, 2008)

σ =F

A [3]

(Nisbett, 2008)

Donde:

σ= esfuerzo normal (MPa)

F= cargas a tención (kg.f)

A= Área de la garganta de la soldadura

El esfuerzo normal es un esfuerzo interno producto de una carga a tención o

a compresión en la sección transversal de un elemento mecánico en análisis,

donde el área de la soldadura está dada por la garganta de la soldadura (h) y

de la longitud de la soldadura (l) como se observa en la figura anterior, por

ende conocer el proceso de cálculo el esfuerzo normal se tomará valores

tentativos como una fuerza de 25 kg que recae sobre un área unida con un

proceso de soldadura, la cual tiene una área de soldadura (h.l), donde la

garganta de la soldadura (h) será de 10 mm y la longitud del cordón de

soldadura (l) de 100 mm, dando como resultado un esfuerzo normal de 25

KPa y mediante este proceso se calcula el esfuerzo normal de un elemento

mecánico unido soldadura (Nisbett, 2008).

La segunda opción es el sistema de suspensión neumática, la cual se

fundamenta en el aprovechamiento de la condición de elasticidad que posee

una gran cantidad de gas misma que puede ser aire o nitrógeno, por ende

este sistema ocupa los resortes de amortiguación llamados resortes de aire

como se muestra en la figura 8, estos resortes necesitan de un circuito de aire

comprimido para su funcionamiento, por tal motivo estos tipos de suspensión

vienen implementados en vehículos que ya disponen de esta instalación para

los frenos, por lo cual los principales vehículos que poseen suspensión

neumática, fundamentalmente lo ubican en el eje posterior como: vehículos

industriales, autobuses y camiones. (Calvo & Miravete, 1997)

9

Figura 8. Suspensión neumática

(González T. , 2011)

Es sistema de suspensión neumático suplanta los muelles, ballestas o barras

de torsión, por unos cojinetes de aire en cada rueda, estos adsorben los

movimientos verticales de las mismas, efectuando en ellos una amortiguación

debido a la variación de volumen y presión del aire del cojín (Pérez, 2010).

El principio de funcionamiento se basa cuando una rueda asciende o

desciende debido a la desigualdad de la calzada, el resorte se comprime

comportándose como un fuelle así como se observa en la figura 9, la

diferencia de volumen crea una variación de presión en el interior del resorte

que le obliga a recuperar su posición inicial de pasar la irregularidad de la vía,

resultando un efecto de cojín elástico, la capacidad de carga F de un muelle

neumático viene definida por la superficie eficaz S y la presión en el muelle P

como se observa en la ecuación [4] (González T. , 2011)

Figura 9. Fuelles neumáticos

(González T. , 2011)

10

F = P. S [4] (González T. , 2011)

Dónde:

F: Capacidad de carga (lb)

P: Presión en el muelle (lb/in2)

S: Superficie eficaz (in2)

Para determinar el tipo de fuelle neumático se procede a seleccionar

diferentes modelos que expresen superficie eficaz de un fuelle neumático, por

consiguiente se procede a determinar las cargas que soportará el sistema,

esta puede ser el peso del vehículo o de estructuras en las que se encuentran

instaladas los sistemas de suspensión neumáticas y como resultado final se

obtiene diferentes presiones, que serán utilizadas en la selección de fulles

neumáticos en los catálogos que proporcionan los fabricantes, por ende el

proceso de cálculos de un fuelle neumático queda definido en la fórmula

(P=F/S), en el cual se ingresará valores tentativos donde la presión del fuelle

es igual a una fuerza de 50 newton sobre la superficie eficaz de 1 cm2, dando

como resultado una presión de 50 KPa y mediante este valor se selecciona el

fuelle neumático.

La tercera alternativa es la suspensión hidroneumática convencional, en

donde se unen los elementos hidráulicos y neumáticos que brindan la

amortiguación y elasticidad necesarias. En cada una de las ruedas va

acoplada a un brazo oscilante, al que se une el pistón por medio de un

vástago, de modo que se deslice de arriba hacia abajo en el interior del

cilindro, misma que en su parte superior termina en una esfera metálica

fraccionada por una membrana, por arriba existe una masa constante de gas

de nitrógeno comprimido y, por abajo, un líquido viscoso, generalmente aceite

especial, que llena el cilindro como se observa en la figura 10 (Alonso, 2000).

Figura 10. Suspensión hidroneumática

(González T. , 2011)

11

En el sistema de suspensión hidroneumático el elemento elástico es el gas a

presión encerrado en la cámara superior de la esfera metálica como se

muestra en la figura 11, por ende el comportamiento del dispositivo es muy

semejante al de las suspensiones neumáticas, por lo cual se utilizará la

ecuación [4], donde se calculara el área de la cámara y la presión de los

elementos que conforman el sistema hidroneumático (Rodríguez P. , 2004)

Figura 11. Partes del sistema de suspensión hidroneumática

(Pérez, 2010)

Para complementar la amortiguación del sistema de suspensión se

implementara ruedas y neumáticos en los extremos de los ejes, las ruedas

como se muestra en la figura 12, constituyen el punto de apoyo del remolque

sobre el suelo, su trabajo es soportar el peso de la estructura y su carga, así

como adsorber los golpes de la suspensión producidos en la marcha,

particularmente en terreno accidentado (Pérez, 2010).

Figura 12. Rueda y Neumáticos

(Pérez, 2010)

El neumático es la banda elástica que contiene el colchón de aire intercalando

entre la llanta y el suelo como se muestra en la figura 13, es la parte de la

rueda que está en contacto con el suelo y que contiene en su interior el

volumen de aire a presión. (Pérez, 2010).

12

Figura 13. Cubierta y cámara de los neumáticos

(González T. , 2011)

La características y dimensiones de los neumáticos vienen definidos desde la

fábrica y están acorde a las necesidades de uso, por ende en la figura 14, se

expresa las nomenclaturas de un neumático para turismos donde: 1 Marca

comercial, 2 Ancho del neumático, 3 Relación altura/anchura, 4 Tipo de

construcción, 5 Tamaño de llanta, 6 Índice de carga, 7 Índice de velocidad, 8

País productor, 9 Homologación DOT, 10 Semana y año de producción, 11

Homologación ECE, 12 Tread wear, tracción y temperatura, 13 Tipo de

estructura radial y especificaciones básicas, 14 Máxima carga y presión, 15

Composición de la estructura, 16 Posición de los indicadores de desgaste, 17

Mud+Snow. Preparado para invierno, 18 Montaje sin cámara de aire, 19

Estructura reforzada (Rodríguez P. , 2004).

Figura 14. Nomenclaturas del neumático

(González T. , 2011)

Los neumáticos homologados en la unión europea deben cumplir la directiva

92/23/CEE y su modificación 2001/43/CE, sobre los neumáticos de los

13

vehículos de motor y de sus remolques así como de su montaje: N.30

Neumáticos, N. 54 Neumáticos para vehículos industriales y N.109

Neumáticos recauchados para vehículos comerciales. (Rodríguez P. , 2004)

Para la clasificación e identificación de los neumáticos se usará una

codificación alfanumérica, afirmando la intercambiabilidad de los mismos con

independencia del fabricante y por ende los parámetros dimensionales

utilizados para designar el neumático se determina mediante la ecuación [5]

(Rodríguez P. , 2004). Para realizar la clasificación e identificación de los

neumáticos, se utilizará como ejemplo un neumático para vehículos

industriales y remolques, por lo cual la identificación de neumático es 14/80 R

20, donde 14 anchura de la sección nominal en pulgadas (SW), 80 es la

relación altura-anchura dando como resultado 11,2 pulgadas de altura (H), R

expresa que es un neumático radial y 20 es el diámetro nominal de la llanta

en pulgadas (D) y como diámetro exterior del neumático (OD) da un valor de

42,4 pulgadas, por consiguiente la identificación del neumático se observa en

la figura 15 (Bosch R. , 2005).

Figura 15. Identificación del neumático.

(González T. , 2011)

Ra = D .𝑂𝐷

𝑆𝑊 [5]

(Rodríguez P. , 2004)

Donde:

Ra: Relación nominal (mm)

OD: Dimensiones del neumático (mm)

SW: Anchura nominal de la sección en (mm)

D: Diámetro nominal de la llanta (mm)

En el proceso de cálculo se utilizará valores tentativos donde la relación

nominal es igual al diámetro nominal de llanta (D) será de 400 mm, las

dimensiones del neumático (OD) será de 950 mm y una anchura nominal (SW)

14

de 235 mm, donde como resultado una relación nominal de 1617 mm

(Rodríguez P. , 2004).

Los tres parámetros anteriores sirven para caracterizar dimensionalmente el

neumático y se muestran en el orden en que se han descrito, es decir: SW,

Ra, D, la relación entre la anchura de sección y el ancho nominal de sección

se representa en la ecuación [6] (Rodríguez P. , 2004).

S = SW+ K(all − alt) [6] (Rodríguez P. , 2004)

Donde:

S: Anchura de sección (mm)

SW: Anchura nominal de sección (mm)

all: Anchura de la llanta de la llanta expresada (mm)

alt: Es la anchura de la llanta teórica en mm.

K: es una constante de valor 0,4

Para demostrar el proceso de cálculos se usará valores tentativos donde la

anchura de sección es igual a la anchura nominal de sección será de 243 mm

más la constante k de 0,4 que multiplica a la anchura de la llanta de 243 mm

menos la anchura teórica de 230 mm y como resultado da un valor de 248,2

mm, por ende este valor es la anchura se sección (Rodríguez P. , 2004).

En el sistema de suspensión para brindar un punto de apoyo a las ruedas y

neumáticos es necesario un eje, el cual es un elemento no giratorio que no

transmite par de torsión que se utiliza para soportar ruedas rotatorias, poleas

y elementos parecidos, un eje no rotatorio se diseña con facilidad y se analiza

como una viga estática (Nisbett, 2008). Los Tipos de ejes son: eje retráctil

cuya línea de rotación transmite parte de la carga del vehículo a la superficie

de la vía o aislarse de ella mediante dispositivos hidráulicos, neumáticos o

mecánicos. Eje simple es el ensamble de dos o cuatro llantas unidas entre sí

por una línea de rotación. Eje “tandem” (eje doble) conformado por dos líneas

de rotación, dotado de una suspensión que permite la compensación de

cargas. (Ramìres, 2009). Los materiales en que se fabrican los ejes soportan

deflexión la cual no se ve afectada por la resistencia si no por la rigidez,

simbolizada por el módulo de elasticidad, que es fundamentalmente constante

en todos los aceros. Por lo cual, la rigidez no se manipula mediante decisiones

sobre el material, sino por decisiones geométricas, por lo cual la mayoría de

ejes son fabricados de acero de bajo carbono, acero estirado en frio o en acero

laminado en caliente y por ende el tipo de material utilizado en la fabricación

de ejes son los aceros ANSI 1020 – 1050 (Nisbett, 2008).

La configuración general de las dimensiones de un eje para acomodar los

elementos que lo conforman, como abrazaderas u otro tipo de sujeción debe

especificarse en los primeros pasos del proceso de diseño para poder realizar

un análisis de fuerza de cuerpo libre como se muestra en la figura 16, por

ende las cargas que recaen en un sólido en análisis se analizarían y

visualizarían con mayor facilidad (Nisbett, 2008).

15

Figura 16. Diagrama de cuerpo libre del eje

(Nisbett, 2008)

Las cargas que producen deformaciones en un elemento estructural, son

calculadas mediante la segunda ley de newton, ya que la variación de

velocidad de un cuerpo en la unidad de tiempo es la aceleración; así, al aplicar

una fuerza desequilibrada sobre dicho cuerpo produce una aceleración y para

determinar la fuerza se utilizará la ecuación [7] (Hernandez, 2007).

∑F = m. a [7]

(Hernandez, 2007)

Donde:

F: Fuerza (Newton)

m: masa (gr)

a: Aceleración (m/s2)

Para confirmar si el diseño del eje está dentro del rango de seguridad, se

determinará los esfuerzos flexionantes, dependiendo cómo se aplique la carga

externa al cuerpo bajo estudio. En el caso del eje soporta cargas flexionantes,

las cuales recaen en cada extremo del eje generadas por las abrazaderas de

las hojas de ballesta y por las reacciones que genera los neumáticos, por ende

para determinar el esfuerzo flexionante se utilizará la ecuación [8] (Nisbett,

2008).

σmax =M. c

I [8]

(Nisbett, 2008)

Donde:

σmax: Esfuerzo máximo a flexión (MPa)

c: Distancia del eje centroidal de la viga a las fibras externas. (m)

I: Momento de inercia de la sección transversal (m4)

M: Momento máximo (kg.m)

En la selección de los elementos que conforman el sistema de suspensión

como son las placas porta ballestas, es necesario realizar un análisis de

esfuerzos uniformemente distribuidos, por ende las placas estarán sometidas

y F1 F2

R2R1

x

x

16

a cargas de compresión pura dependiendo de cómo se aplique la carga

externa el cuerpo bajo estudio, por ello para determinar el esfuerzo

uniformemente distribuido se calcula utilizando la ecuación [9] (Nisbett, 2008).

σ =F

A [9]

(Nisbett, 2008)

Donde:

σ: Esfuerzo a compresión (MPa)

F: fuerza a tracción o compresión (kg)

A: Área en análisis (m2)

El análisis de fallas por fatiga confirmará si las medidas material está acorde

al diseño, por ende se recopilara información del tipo de los aceros de

catálogos de las empresas fabricantes de acero, mismos que proporcionan el

valor de la resistencia a la tención (Sut) y el límite de resistencia a la fatiga (Se)

(Nisbett, 2008).

S′e = 0.5 Sut Donde Sut ≤ 200 kpsi (1400 MPa) (Nisbett, 2008)

Donde:

𝑆′𝑒: Límite de resistencia a la fatiga (MPa)

𝑆𝑢𝑡: Resistencia a la tensión (MPa)

Una vez calculado el límite de resistencia a la fatiga se prosigue a calcular e

identificar los factores que cambian el límite de resistencia a la fatiga. Marín

identifico factores que cuantifican los efectos de la condición superficial, el

tamaño, la carga, la temperatura mediante la ecuación [10] (Nisbett, 2008).

Se = Se´. ka. kb. kc. kd. ke. kf [10] (Nisbett, 2008)

Donde:

Se: Límite de resistencia a la fatiga (MPa)

Se´: Límite de resistencia a la fatiga en viga rotatoria (MPa)

Ka: Factor de modificación de la condición superficial depende del diámetro o

espesor del material, por ende se utilizará la ecuación [11] (Nisbett, 2008).

ka = a. Sutb [11] (Nisbett, 2008)

Kb: Factor de modificación del tamaño, que para carga axial no hay efecto de

tamaño por tanto es 1 (Nisbett, 2008).

Kc: Factor de temperatura, donde para esfuerzos axiales el valor es de 0,85.

Ke: Factor de confiabilidad muestra desviaciones estándares de resistencia a

la fatiga, por ende la ecuación 12 depende del grado de confiabilidad de un

diseño seguro de 99,9 % (Nisbett, 2008).

17

ke = 1 − 0,08 𝑍𝑎 [12] (Nisbett, 2008)

Kf: factor de efectos varios, en este proceso de cálculo se sustituye los valores

provenientes del esfuerzo nominal en donde se considera la perforación de la

placa y del esfuerzo máximo de las dimensiones del material en la ecuación

[13], dando como resultado el factor de efectos varios (Nisbett, 2008).

kf =σ0σmàx

[13]

(Nisbett, 2008)

Donde:

σo= Esfuerzo nominal (MPa)

σmàx= Esfuerzo máximo (MPa)

kf= Factor de efectos varios

Para complementar el proceso de cálculo del eje y de las placas porta

ballestas se confirmara la seguridad del diseño mediante un análisis del factor

de seguridad (n), que dará como resultado si el material seleccionado

soportará las cargas de diseño, ya que si el factor de seguridad da un valor

menor a 1 el material seleccionado tendrá a deformarse y llegar a la ruptura,

mientras que si el factor de seguridad es mayor a 1 el material seleccionado

será el adecuado para el diseño. El factor de seguridad tiene la misma

definición que el factor de diseño, pero por lo general difiere en su valor

numérico para lo cual se aplica la ecuación [14] (Nisbett, 2008).

n =se

σmax [14]

(Nisbett, 2008)

Donde:

n: Factor de seguridad.

𝑠𝑒: Resistencia del material (MPa)

𝜎𝑚𝑎𝑥: Esfuerzo máximo (MPa)

Para determinar las cargas a las que será sometido el sistema de suspensión

se realizará una evaluación de cargas con base en las características propias

del mismo, las cargas a las que será sometido son provenientes de las cargas

muertas, las cuales son cargas de magnitud constante que permanecen fijas

en un mismo lugar (McCormac, 2012). Otro tipo de carga que soporta el

sistema de suspensión es la carga viva que variarían en magnitud y

localización, y se producen por los pesos de objetos instalados temporalmente

sobre una estructura tal como se propone en el presente proyecto que el

sistema de suspensión tendrá una capacidad de carga de siete toneladas que

transformado a kilogramos será de 7000 kg (Hibbeler., 2012). En problemas

bidimensionales, las ecuaciones se reducen a tres, número que corresponde

a los grados de libertad de un movimiento plano; dos de traslación y uno de

18

rotación. Si el plano en que actúan las fuerzas es que el plano XY, las

ecuaciones de equilibrio se expresan en la ecuación [15], en la cual se

procede a hacer sumatorias de fuerzas en el plano XY para determinarlas

cargas a las que estará sometido el sistema de suspensión y en caso de existir

cargas a cierta distancias se realizará una sumatoria de momentos en el eje z

(Abril, 2002).

∑FX = 0 ,∑FY = 0 ,∑MZ = 0 [15]

(Nisbett, 2008)

Donde:

Σ = Sumatoria de varios sumandos ∑FX = 0 = Sumatoria de fuerzas en el eje X

∑FY = 0 = Sumatoria de fuerzas en el eje Y

∑MZ = 0= Sumatoria de fuerzas en el eje Z

Para determinar longitudes existentes en las uniones de elementos mecánicos

se utilizará las funciones trigonométricas que se definen como cociente entre

dos lados de un triángulo rectángulo, las longitudes serán determinadas

mediante el uso de las principales funciones trigonométricas de un ángulo,

como es la función seno en la ecuación [16], donde el cateto opuesto es

dividido por la hipotenusa (Steiner, 2003).

sin 𝛼 =𝐶𝑂

𝐻 [16]

(Steiner, 2003)

Donde:

sin 𝛼= Seno de un ángulo de triangulo rectángulo

CO= Cateto opuesto (mm)

H= Hipotenusa (mm)

https://es.wikipedia.org/wiki/%CE%A3

2. METODOLOGÍA

19

2. METODOLOGÍA

La metodología que se aplico fue el método experimental donde se recopiló

información acerca del funcionamiento de tres sistemas de suspensión

vigentes en el mercado nacional los cuales son: sistema de suspensión

mecánica por ballestas, sistema de suspensión neumática y sistema de

suspensión hidroneumática y por consiguiente establecer la diferencias que

existe entre los sistemas cumpliendo con los objetivos propuestos en el

presente proyecto y para esto se identificó los parámetros de diseño en entre

los cuales intervienen la disponibilidad, costo, factibilidad y montaje, así como

también implantar técnicas de adaptación del sistema de suspensión en la

estructura del remolque.

Al realizar el estudio de funcionalidad, factibilidad, accesibilidad, viabilidad y

seguridad, ejecutado en los tres sistemas de suspensión vigentes en el

mercado ecuatoriano, se identificó y definió el sistema de suspensión más

favorable e idónea que tendrá la capacidad de soportar la carga máxima de

siete toneladas, por ende el sistema seleccionado tiene que cumplir con

determinados requerimientos y funciones para ser implementado en el

remolque de transporte de cargas pesadas, por lo cual la presente selección

se realizó con un previo estudio de la parte de funcionalidad, evaluando cada

tipo de sistema de suspensión.

Una vez seleccionado el sistema de suspensión favorable y realizable, se

comenzó a implantar los parámetros específicos de diseño con la finalidad de

garantizar su buen funcionamiento y brindar seguridad al usuario, por ende el

diseño se sustentó mediante el planteamiento de la teoría de cargas vivas y

cargas muertas donde se determinó el peso de la estructura así llamada carga

muerta y la carga viva procedente de la carga que transportará el remolque,

para lo cual se realizó un análisis estático mediante la ecuación [15] donde se

calculó las fuerzas a las que estarán sometidos los elementos del sistema de

suspensión por hojas de ballesta, por consiguiente se calculó el número de

hojas de ballesta utilizando la ecuación [1], donde se ingresó el valor de la

fuerza que soportará los extremos del sistema de suspensión mecánica junto

con las dimensiones de determinadas hojas de ballesta. Se calculó la longitud

de la rampa del remolque mediante la función trigonométrica seno con la

ecuación [16]. Se determinó las dimensiones del eje en el sistema de

suspensión, por lo cual procedió a recopilar información de las áreas y

propiedades de ejes, para posteriormente reemplazar estos valores en la

ecuación [8] para calcular el esfuerzo flexionante y mediante la ecuación [14]

se calculó el factor de seguridad de cada eje para su previa selección. Se

determinó las dimensiones de las placas porta ballesta mediante un análisis

de falla por fatiga mediante la ecuación [10] hasta la [13], y para confirmar la

seguridad de diseño de las placas se realizó el cálculo del factor de seguridad

con la ecuación [14].

20

Una vez establecidos los parámetros de diseño y funcionamiento se prosiguió

a realizar el pleno diseño del sistema de suspensión, el cual designo que tipo

elementos conformaran la suspensión del remolque mediante los datos

obtenidos con el proceso de cálculos y la comparación de la información que

brindan los fabricantes de ballestas, ejes y neumáticos, para posteriormente

proceder con la selección de los elementos que han de conformar el sistema

de suspensión mecánica por muelles o ballestas, logrando así que los

elementos se acoplen adecuadamente a la estructura del remolque,

realizando una amortiguación que cumpla con las normas de seguridad en

transporte de carga pesada de manera eficaz, eficiente y segura.

Se realizó el diseño y simulación de los elementos que conforman el sistema

de suspensión utilizando un paquete informático de diseño o software CAD

donde se realizó un modelo mecánico en 3D, en el cual se observó el

funcionamiento del sistema de suspensión mediante la simulación del sistema

bajo carga, logrando así determinar los esfuerzos, deformaciones y el factor

de seguridad del material.

Finalmente se implementó el sistema de suspensión mecánica que tendrá una

capacidad de carga de siete toneladas, para esto se llevó a cabo varios

procesos tales como, identificación, comparación, selección y adaptación de

los elementos que conforman el sistema de suspensión mediante los valores

obtenidos en el proceso de cálculos que se realizó para obtener las

dimensiones de cada elemento que será parte del sistema.

Se realizó pruebas de funcionamiento que confirmar el correcto diseño del

sistema suspensión ya implementado en el remolque, las pruebas consistió

en colocar cargas pesadas en la plataforma del remolque y constatar el

comportamiento de los elementos que conforman el sistema de suspensión y

por ende garantizar un buen funcionamiento.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

21

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y DISEÑO DEL SISTEMA DE

SUSPENSIÓN

El proyecto de diseño e implementación de un sistema de suspensión para un

remolque que tenga una capacidad de siete toneladas se guiará en el Acuerdo

Ministerial 018-2016 del Ministerio de Transporte y Obras Públicas, la cual

regula las dimensiones y pesos de los remolques que circulan en las

carreteras ecuatorianas. El sistema de suspensión a implementarse debe

soportar un peso máximo de siete toneladas que transformado a kilogramos

da una carga de 7000 kg que en este caso será la carga viva, la misma que

será representada o analizada en el espacio a ocupar el mini-bulldozer en el

remolque, ya que el presente proyecto está enfocado al trasporte de esta

maquinaria pesada se recopiló dimensiones las cuales son: 2.70 m de largo,

1.60 m de ancho , 1.80 m de alto como se observa en la figura 17, y un peso

de 3.100 kg como se detalla en el anexo 11.

Figura 17. Dimensiones del mini-bulldozer

El Acuerdo Ministerial da a conocer las tablas de pesos y dimensiones de

vehículos de carga pesada, remolques y semirremolques como se detalla en

el anexo 1, donde indica la distribución máxima de carga por eje y las

dimensiones de los remolques, mismas que deben ser acatadas por los

diseñadores, por tanto se tomará los datos técnicos de los remoques tipo B1,

B2 y B3 como se observa en la tabla 1.

Tabla 1. Tabla nacional de pesos y dimensiones

2700

1800

22

El sistema de suspensión a implementarse en el remolque será determinado

mediante una selección de alternativas, el cual acatará las medidas de

construcción establecidas en las tablas de pesos y dimensiones ya

mencionados, por lo cual las dimensiones, el número de ejes y el tipo de

suspensión se adaptaran al tamaño del mini-bulldozer como se muestra en la

figura 18, por lo tanto se tomará las dimensiones de la plataforma del remolque

quedan definidas de la siguiente forma: longitud total de 4 metros, donde se

destina 1 metro para el sistema de enganche del remolque, un espacio de 3

metros donde se alojara el remolque que ocupara un espacio de 2.60 metros,

el cual por motivos de equilibrio se ubicara en el centro de la plataforma del

remolque y por ordenanza del Acuerdo Ministerial, ya que un remolque debe

ser balanceado, por tal motivo los ejes deben ubicarse en el centro del

remolque.

Figura 18. Mini-bulldozer en el remolque

3.1.1. DISEÑO DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN

El sistema de suspensión constara de un conjunto de elementos elásticos

instalados a cada extremo del eje del remolque así como se observa en la

figura 19. Por ende la carga de 7000 kg se dividirá en dos cargas iguales de

3500 kg, estos valores se usara para el análisis de cargas y por ende obtener

las dimensiones del sistema de suspensión mediante un proceso de cálculo.

Figura 19. Cargas en el sistema de suspensión

2600 mm

200 mm200 mm

1000 mm

7000 kg

3500 kg3500 kg

23

Una vez determinado los valores de las reacciones que se generan en el

sistema de suspensión debido a la carga máxima, se procede a tomar en

cuenta la carga muerta de la estructura del remolque y para esto se tomará

un valor tentativo de un peso estimado de 500 kg y por ende se realizará el

cálculo de las nuevas cargas que soportará el sistema de suspensión como

se muestra en la figura 20, como la carga muerta y la carga viva recaen en el

centro de la estructura se procedió hacer una sumatoria de fuerzas donde se

tiene una carga máxima de 7500 kg, por lo cual esta carga máxima se dividirá

en dos cargas que están situadas en cada extremo del sistema de suspensión

y por ende se procederá a realizar los respectivos cálculos de neumáticos,

ejes y sistema de suspensión.

Figura 20. Cargas vivas y cargas muertas en el remolque

Al realizar el análisis de carga se determinó que los extremos del eje del

remolque estarán sometido a una carga de 3750 kg, por ende se optó por un

sistema de suspensión con dos ejes como se muestra en la figura 21 y por lo

cual la ubicación de los ejes será en el centro de la estructura ya que la tabla

de pesos y dimensiones expresa que deben ser remolques balanceados.

Figura 21. Distribución de cargas en el remolque

El análisis de cargas determinó que el sistema de suspensión debe ser de dos

ejes para que cumpla con los objetivos planteados en el presente proyecto

debido a que los extremos de los ejes soportarán una carga de 1875 kg.

7500 kg

3750 kg3750 kg

1875 kg 1875 kg

24

3.2. SELECCIÓN DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN

Para la selección del sistema de suspensión se realiza una comparación entre

los sistemas de suspensión mecánica por muelles parabólicos u hojas de

ballestas, sistema neumático y sistema hidroneumático como se presenta en

la tabla 2. El análisis de las alternativas expresará las ventajas y desventajas

de los tres sistemas de suspensión y mediante criterios de valoración se

analizará la fiabilidad, facilidad de ensamble, costo y capacidad de carga,

mismos que determinaran el sistema favorable a ser implementado.

Tabla 2. Alternativas de sistemas de suspensión

Alternativas para la implementación de un sistema de suspensión para el remolque

Alternativa A: sistema de suspensión mecánica por muelles parabólicos o ballestas.

Alternativa B: sistema de suspensión neumática.

Alternativa C: sistema de suspensión hidroneumática.

Alternativa A

Sistema de suspensión mecánica por hojas ballestas son usados en vehículos

de transporte de carga pesada, vehículos todo terreno, de turismo, remolques,

semi-remolques y maquinaria pesada, ya que los muelles parabólicos de este

sistema tiene flexibilidad y frecuencia natural.

Ventajas

Mayor resistencia a cargas pesadas.

El precio del sistema es económico.

Son de fácil de adquisición.

Fácil adaptación en estructuras.

Tiene una larga vida útil.

El sistema no necesita muchos mantenimientos.

Los mantenimientos no necesitan herramientas especiales

Desventajas

Tiene baja estabilidad.

La rigidez es alta.

Inestabilidad en curvas.

Sin peso produce más vibraciones.

Excesivo peso del sistema.

Fricción entre las hojas de ballesta.

Alternativa B

Sistema de suspensión neumática. Utiliza la energía del aire comprimido o

gas que se genera en muelle de aire, para hacer el mismo trabajo que hace

un muelle parabólico o ballesta. Estos modelos de suspensión son de

flexibilidad variable y se adaptan a dispositivos que controlan la altura de la

carrocería estado cargado o vacío manteniéndoles una distancia constante

entre el piso y el vehículo.

25

Ventajas

Confort de marcha del vehículo.

Control de altura de la carrocería.

Movimientos homogéneos e independientes de la carga.

Su peso y dimensiones son bajos.

Tiene una Capacidad variable de carga.

Tiene una relevante estabilidad.

Los elementos del sistema no producen fricción.

Desventajas.

Funciona cuando el sistema haya complementado una considerable cantidad

de aire.

Altos costos de adquisición

El proceso de montaje es demoroso

Altos costos de mantenimiento

Necesita constante mantenimiento preventivo.

Circuitos de aire extensos

El sistema es susceptible a daños por golpes.

Alternativa C

Sistema de suspensión hidroneumática: Este sistema se combinan con

elementos hidráulicos y neumáticos, los cuales generan una amortiguación y

elasticidad necesaria para adsorber las irregularidades de la calzada, por

ende esta alternativa tiene características que brindaran una correcta

amortiguación al remolque.

Ventajas

Control de altura de la carrocería.

Movimientos homogéneos e independientes de la carga.

Su peso y dimensiones son bajos.

Tiene una Capacidad variable de carga.

Tiene una relevante estabilidad.

Los elementos del sistema no producen fricción.

Desventajas

No tienen una gran capacidad de carga.

El proceso de montaje es demoroso.

Altos costos de mantenimiento.

Necesita constante mantenimiento preventivo.

Circuitos hidráulicos y neumáticos extensos.

El sistema es susceptible a daños por golpes.

Criterios de valoración

Para proceder con la selección de las alternativas se realizará una

ponderación en donde se analizara la fiabilidad, montaje, costo y capacidad

de los sistemas de suspensión, realización una valoración a cada sistema en

análisis como se presenta en la tabla 3.

26

Tabla 3. Criterios de valoración.

Fiabilidad Montaje Costo Capacidad

Bajo = 0 Difícil = 0 Alto = 0 Bajo = 0

Medio = 0.5 Moderado= 0.5 considerable =0.5 Medio = 0.5

Alto= 1 Fácil= 1 Bajo = 1 Alto = 1

Fiabilidad: El sistema de suspensión debe ofrecer seguridad al transportar el

mini-bulldozer.

Facilidad de montaje: El sistema debe ser de fácil manipulación para ser

acoplado a la estructura del remolque.

Costo: Las partes que conforman la suspensión deben ser de bajos costos y

de buena calidad.

Capacidad: El sistema de suspensión debe soportar un peso máximo de siete

toneladas.

Una vez determinado los parámetros de cada alternativas, se procede se

realizar la ponderación de las alternativas como se observa en la tabla 4, para

determinar el sistema de suspensión idóneo para el presente proyecto.

Tabla 4. Conclusiones del método de evaluación.

Fiabilidad Montaje Costo Capacidad ∑

Alternativa A. 0.5 1 1 1 3.5

Alternativa B. 1 0.5 0.5 0.5 2.5

Alternativa C. 1 0 0 0.5 1.5

Como resultado final se llegó a la conclusión de que la alternativa A es la más

favorable, ya que los elementos que conforman el sistema de suspensión por

muelles parabólicos u hojas de ballesta son de fácil adquisición, fácil montaje,

sus costos son moderados con respecto a las otras alternativas y tiene una

gran capacidad de carga.

3.2.1. DISEÑO DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN DE MULLES

PARABÓLICAS U HOJAS BALLESTAS

Para la selección de hojas de ballesta mediante un proceso de cálculos se

realizará un análisis de cargas donde se determinará la fuerza que afecta a

cada extremo del conjunto de muelles parabólicos u hojas de ballestas. Los

dos ejes del sistema de suspensión soportarán una carga de 1875 kg en cada

extremo, por ende se realizará una análisis de fuerza donde esta carga se

transporta hasta la unión de las hojas de ballesta con el eje, misma que

generará dos reacciones de 937,5 kg en cada extremo de las hojas de ballesta

como se observa en la figura 22.

27

Figura 22. Ballestas sometida a cargas

Para determinar el número de hojas de ballesta, se ingresará el valor de las

fuerzas que se determinaron en el análisis de cargas del conjunto de muelles

parabólicos en la ecuación [1] que se observa en la página 7, junto con las

dimensiones que proporcionan los fabricantes de hojas ballestas como se

detalla en el anexo 4, tales como: longitud, espesor y ancho y para completar

la ecuación se utilizó los datos técnicos del acero en que se fabrica las hojas

de ballesta, mismas que varían dependiendo el fabricante, por ende estos

valores se mencionan en los libros: Manual práctico del automóvil donde

expresa que la resistencia permisible está entre los 50 y 80 Kp/mm2, el libro

Técnicas del automóvil da a conocer una resistencia permisible de 101.97

kp/mm2 y el libro Ingeniería del Vehículo menciona una resistencia permisible

de 120 kp/mm2, por ende para mayor seguridad del diseño se utilizará el valor

de la resistencia permisible de 120 kp/mm2 como se presenta en la tabla 5.

Tabla 5. Cálculo del número de hojas de ballesta

Fuerza

(kp).

937.500

Muelles parabolicos u hojas de

ballesta

Longitud

(mm)

Ancho

(mm)

Espesor

(mm)

1.-Remolque Nabronco. POS

CUADRON VANDER IND ECUAT.740 45 6 n = 21,41

2.- Toyota stout 2200 M/94. POS

VANDER IND ECUATO.1170 70 7 n = 15,99

3.- Chevrolet van N200

m/2013.VANDER IND ECUATO.970 60 6 n = 21,05

4.- Isuzu NPR M/2007.VANDER IND

ECUATO.1340 70 10 n = 8,97

5.- RH Resortes Hércules, 22-940

Isuzu NHR1150 60 9 n = 11,09

6.- RH Resortes hércules, Hino GD

volqueta1100 100 10 n = 5,16

7.- RH Resortes Hércules, 07-229.

KIA PREGIO1210 70 8 n = 12,66

8.- Chevrolet LUV 320 M/90 Pos. 1140 60 7 n = 18,18

9.- Chevrolet RT50 M/2013 1280 60 9 n = 12,35

Fórmula.

n=(F*6l)/(b*h 2̂.σ)

Resistencia permisible

(kp/mm2).

120.000

Selección de muelles parabólicos según su número de hojas.

Número de hojas

de ballesta

28

El proceso de cálculo determinó el número de hojas de ballesta necesarias

para el sistema de suspensión mecánica mismas que proporcionará seguridad

y confiabilidad, por ende la opción 6 cumple con los requisitos para ser

implementado en el remolque ya que con 5 hojas de ballesta (n=5) de una

longitud de 1100 mm, ancho de 100 mm y espesor de 10 mm soportarán la

carga máxima.

3.2.2. SIMULACIÓN DE LAS HOJAS DE BALLESTA

Para confirmar si las dimensiones de las hojas de ballesta seleccionadas por

el proceso de cálculo cumplen con los requerimientos para el presente

proyecto se usará un programa de diseño, donde se ingresará las

dimensiones y el tipo de acero de las hojas de ballesta, dando como resultado

las deformaciones y esfuerzos que tendrá al momento de ser sometido a las

cargas de diseño como se observa en la figura 23.

Figura 23. Simulación de las hojas de ballesta

El programa de simulación dio a conocer que tan fiables son las hojas de

ballesta mediante el análisis del factor de seguridad que dio como resultado

1.5 como se observa en la figura 24, confirmando que las dimensiones son

las adecuadas brindando seguridad ya que el valor obtenido está dentro del

rango de un diseño seguro.

Figura 24. Factor de seguridad de las hojas de ballesta

29

Al realizar el proceso de cálculo se determinó las dimensiones de las hojas de

ballesta, mismas que fueron analizadas mediante un programa de diseño y

simulación que confirmó que las dimensiones de las hojas de ballesta son

idóneas para el presente proyecto.

3.3. SELECCIÓN DE NEUMÁTICOS

Para determinar el tipo de neumático que complementara el sistema de

suspensión se utilizará el valor a la que se encuentra sometido cada extremo

de los ejes, misma que es de 1875 kg como se observa en la figura 25.

Figura 25. Radio de los muelles helicoidales

Para el proceso de seleccione neumáticos se procedió a recopilar información

del radio de curvatura de las hojas de ballesta de diversas dimensiones como

se presenta en la tabla 6.

Tabla 6. Radio de curvatura de las hojas de ballesta.

Radios de curvatura de las hojas de ballesta (mm)

opción 1 160

opción 2 205

opción 3 165

opción 4 135

opción 5 165

opción 6 210

opción 7 160

opción 8 250

opción 9 190

Sumatoria = 1640

Promedio = 182

Con los valores de los radios de curvatura se realizó sumatoria, para

posteriormente obtener un valor promedio que será complementado con las

dimensiones de las placas porta ballestas y el ancho de las vigas de la

estructura del remolque, como se observa en la figura 26.

30

Figura 26. Sistema de suspensión por ballestas

Una vez obtenido las dimensiones de la viga, placa porta ballestas y el

promedio de los radios de curvatura de las hojas de ballesta se procede a

sumar los tres valores y por ende obtener un valor que se asemeje al radio del

neumático necesario para complementar el sistema de suspensión como se

muestra en el siguiente proceso.

x = 100 + 150 + 182

x = 432 mm

radio = 432 mm

diametro = 864 mm

Para la selección de neumáticos se recopiló información de catálogos de

fabricantes de neumáticos para uso industrial como se presenta en la tabla 7,

por consiguiente se utilizará el valor de la carga que soporta los ejes en sus

extremos misma que es de 1875 kg y el radio del neumático de 432 mm y por

ende designar el neumático que cumpla con los requerimientos del diseño.

Tabla 7. Dimensiones de neumáticos para remolques

Producto Índice de carga Diámetro exterior

(mm) Carga máxima por neumático

(kg)

T 545 (R) 146/143 1047 1910

T 545 (R) 149/146 1131 1935

FS 511 (R) 148/145 1.012 2130

FS 511 (R) 150/146 1.044 2060

BFT 595 (D) 133/131 970 2300

BFT 595 (D) 141/139 1.012 2160

R 227 152/148 1.052 3.350

R 250 141/137 1.018 2.500

R 250 146/143 1.051 3.000

R 294 136/134 839 2.040

R 294 144/142 893 2.725

R 294 140/137 930 2.500

R 187 135/133 764 2.180

R 187 143/141 841 2.725

R 187 148/145 914 3.150

Como resultado final se seleccionó el neumático R 294, debido a que soporta

una carga máxima por neumático de 2725 kg, y tiene un diámetro exterior de

893 mm que se asemeja al diámetro que se calculó.

31

3.3.1. CÁLCULO DE LA LONGITUD DE LA RAMPA DEL REMOQUE

Con la información del diámetro exterior del neumático de 764 mm, junto con

la altura del remolque, se procede a calcular la longitud de la rampa del

remolque, misma que no debe superar la medida de la plataforma del

remolque y se adapte a las dimensiones del mini-bulldozer para que pueda

elevarse hasta el remolque como se observa en la figura 27.

Figura 27. Ángulo de inclinación de la rampa

Para determinar la longitud de la rampa del remolque y su ángulo de

inclinación se realizará una tabla de datos donde se calculara la longitud y el

ángulo de inclinación dela rampa del remolque mediante ecuación [16] de la

página 18, donde se utiliza la función trigonométrica seno, misma que dará

como resultado la longitud de la rampa como se observa en la tabla 8.

sin ∅ =C0

H

H =CO

sin∅

Tabla 8. Longitud de las rampas del remolque

altura del remolque mm

764

Angulo de inclinación Radianes Longitud de la rampa

5 0,02 8765,92

10 0,02 4399,70

15 0,02 2951,87

20 0,02 2233,79

25 0,02 1807,78

30 0,02 1528,00

35 0,02 1331,99

40 0,02 1188,57

45 0,02 1080,46

50 0,02 997,33

60 0,02 882,19

70 0,02 813,03

Formula

Calculo de la longitud de la rampa para el remolque.

=𝑎 𝑎

sin

El proceso de cálculo determinó que los ángulos de inclinación que sean

mayor a 450 ocupan poco material por su considerable longitud pero son

inseguras para elevar el mini-bulldozer al remolque, mientras que las rampas

2600 mm

200 mm200 mm

1000 mm

32

con un ángulo de inclinación que van descendiendo desde los 150 sobrepasan

la longitud de la plataforma del remolque, por consiguiente los ángulos de

inclinación de 20o hasta los 35o cumplen con el propósito de brindar un ángulo

de inclinación seguras para que las rampas cumplan su función principal, la

cual es que el mini-bulldozer pueda subir al remolque con facilidad.

Como resulto final se determinó que el ángulo de inclinación debe ser 200, por

motivo que el mini-bulldozer pósese un sistema de desplazamiento por orugas

y la rampa de longitud 2233.79 mm es idónea para el remolque. Se

recomienda implementar un soporte en la parte posterior del remolque para

evitar que algún accidente al momento de subir el mini-bulldozer a la

plataforma ya que al momento de ascender a la maquinaria a la plataforma

por medio de las rampas, este podría hacer que el remolque se eleve en la

parte frontal perdiendo estabilidad y producir un volcamiento del mismo.

3.4. SELECCIÓN DE EJES

Para diseñar e implementar un sistema de suspensión es necesario calcular

las dimensiones del eje, ya que este elemento mecánico es un punto de apoyo

a las ruedas, neumáticos y un punto de sujeción para los muelles parabólicos

u hojas de ballesta, las mismas que generaran cargas que recaen en el eje

generando esfuerzo flexionantes como se muestra en la figura 28. La longitud

del eje se definido en 2400 mm ya que se debe tomar en cuenta el ancho del

neumático y no sobrepasar el ancho de los remolques vigente el Acuerdo

Ministerial del Ministerio de Transporte y Obras Públicas que expresa que el

ancho debe ser de 2600 mm.

Figura 28. Cargas que soporta el eje

Una vez determinadas las cargas a las que es sometido el eje se procese a

realizar los diagramas de fuerzas cortantes y momento flector como se

muestra en la figura 29.

Figura 29. Diagrama de fuerza cortante

1875 kg 1875 kg

1875 kg1875 kg

2400 mm

700 mm700 mm

00 700 700

1875 kg

1875 kg

V

33

El diagrama de momento flector indica los puntos críticos donde el eje tendrá

lugar a la deformación y dará como resultado el momento máximo de 1312500

kg.mm como se observa en la figura 30.

Figura 30. Diagrama de momento flector del eje

Una vez determinado el momento flector máximo se procede a seleccionar el

eje que para este caso se utilizó los datos técnicos que proporciona la

empresa DIPAC que se muestra en anexo 10, por lo cual se realizará un

proceso de cálculos donde se ingresa los valores del momento flexor máximo

en la ecuación [8] ubicada en la página 15, este proceso de detalla en la tabla

9, en donde se seleccionará el eje mediante el análisis del factor de seguridad

de la ecuación 14 ubicada en la página 17.

Tabla 9. Cálculo y Selección de ejes

00700 700

1875 kg

1875 kg

V

00

M1312500 kg x mm

Momento flector

maximo (kg.mm)1312500

Resistencia del

material (S)

(kg.mm2)

42,2

Formula del esfuerzo

flexionante (KPa)

Momento de inercia de

un eje hueco (mm)4

Diametro

externo

(mm)

Diametro

interno

(mm)

Factor de

seguridad

Radio del

eje (mm)

σ=(M*c)/I I=(π(d_2^4-d_1^4))/64 de di n=S/σ c

1 1584,39 8822,43 21,3 12,7 0,03 10,65

2 982,16 17840,21 26,7 19,5 0,04 13,35

3 539,40 40635,66 33,4 25,4 0,08 16,7

4 261,91 105739,55 42,2 31,75 0,16 21,1

5 193,71 163633,45 48,3 38,1 0,22 24,15

6 122,92 321921,03 60,3 50,8 0,34 30,15

7 80,44 595579,55 73 63,5 0,52 36,5

8 41,37 1410349,78 88,9 76,2 1,02 44,45

9 23,84 3146164,90 114,3 101,6 1,77 57,15

Ejes huecos

Seleccion de ejes

34

El proceso de cálculos por el esfuerzo máximo y por el factor de seguridad

determinó que la opción 8 que tiene una dimensión de 90 mm de diámetro

exterior y de 76,2 de diámetro interior es el idóneo para el presente proyecto

ya que su factor de seguridad es de 1,02, mismo que está dentro del rango de

un diseño seguro.

3.4.1. SIMULACIÓN DE EJE

Para verificar si el diámetro del eje cálculo es idóneo se usó un programa de

diseño en donde se ingresó las cargas puntuales sobre el eje y el momento

máximo flector y el resultado se observa en la figura 31.

Figura 31. Simulación del eje

El programa de simulación indica la deformación que sufrirá el eje es de 3 mm

por flexión, debido a que está sometido a cargas puntuales proveniente del

peso de estructura junto con la carga máxima a transportar y un factor de

seguridad es de 1.3 como se observa en la figura 32.

Figura 32. Factor de seguridad

El cálculo del factor de seguridad realizado en la tabla 9, se asemeja a los

valores que da el simulador, el cual indica que el factor de seguridad del eje

35

es 1,3 como se observa en la figura anterior y como resultado final se

determinó que el diámetro del eje es el idóneo al presente proyecto.

3.5. PLACA PORTA BALLESTAS

Para montar el sistema de suspensión a la estructura del remolque, se ha

implementado una placa porta ballestas que conecta las hojas de ballesta al

chasis del remolque, por ende la hoja superior llamada hoja maestra presenta

en sus extremos una curvatura formando los ojos en donde se colocan los

casquillos o silentblocs, en los que alojaran bulones que se articularán a los

muelles parabólicos con los soportes o en este caso la placa porta ballesta

como se muestra en la figura 33.

Figura 33. Placa porta ballestas

Para el proceso de cálculo las dimensiones de las placas porta ballestas

quedaran definidas en: 120 mm de largo, 100mm de ancho y un agujero de