Unidad III Estructuras Vehiculares - Sistema de Chasis
6.- Estudios de Chasis: Describir los diferentes tipos de Chasis desarrollados para los vehículos según su aplicación o requerimientos técnicos (Compacto, Tubular tipo Jaula, Monocasco, Modular, Estructural básico. Adicionalmente esbozar los criterios de diseño y fundamentos matemáticos que rigen su funcionamiento.
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Choques en Automóviles
1.- Tipos de Chasis
El chasis es una estructura metálica completa o tubular, esta estructura es el esqueleto del auto y tiene la función de soportar todos los pesos y esfuerzos de los componentes que conforman el automóvil, los esfuerzos producidos por las diferentes cargas que se ejercen y además de servir como protección a los pasajeros y pilotos.
"Es el componente estructural del vehículo, sobre el cual están montados otros componentes importantes como son: Motor, Caja de cambios, sistema de dirección, sistema de suspensión y otros" (García 2009)
"El chasis es la única garantía mecánica de que en el caso de un impacto o colisión de autos al piloto no le sucederá nada, por lo que a más allá de sujetar todos los componentes debe proteger al piloto a toda costa"
"Es el componente estructural del vehículo, sobre el cual están montados otros componentes importantes como son: Motor, Caja de cambios, sistema de dirección, sistema de suspensión y otros" (García 2009)
"El chasis es la única garantía mecánica de que en el caso de un impacto o colisión de autos al piloto no le sucederá nada, por lo que a más allá de sujetar todos los componentes debe proteger al piloto a toda costa"
Según su forma de fabricación se clasifican de la siguiente manera:
Chasis Tubular de Largueros:
es una estructura formada principalmente por dos vigas metálicas que cubren toda la longuitud del automóvil desde la aprte delantera hasta la parte trasera. en ella se apoya la cabina, el motor y la suspensión así como los demás componentes. Es la forma de chasis que más resiste cargas y era la más utilizada en lso autos antiguos por su facilidad de fabricación, sin embargo generaba muchos problemas al adaptarle suspensiones más complejas por su baja rigidez torisonal además de su excesivo peso en comparación con otras. Por estar compuesta de dos vigas paralelas también era muy resistente a impactos frontales (por eso los autos antiguos al chocar se mantenian casi intactos, sin embargo la misma inercia del choque hacía que los pilotos se estrellaran contra sus volantes y se rompieran huesos o en algunos casos que se perforaran pulmones.
Chasis Tubular (Jaula):
Es una estructura en forma de cercha tridimensional que se costruye a medida principalmente de tubos de perfil redondo sobre la cual se atornillan todos los componentes, parte de sus tubos dibujan la misma estructura base del chasis tubular de largueros (lo que le da una resistencia a impactos frontales) pero crean conexiones y arcos que funcionan de protección para los pasajeros y aumentan la rigidez torsional al cruzar el lado izquierdo con el lado derecho del automóvil (efecto barra de torsión) Este tipo de chasis suele ser experimental ya que su fabricación requiere de mucho tiempo y costos de mano de obra (tan solo en soldadura se gasta un gran porcentaje ) sin embargo a la hora de vehículos experimentales y prototipos resulta la opción más factible.
Chasis compacto:
Éste tipo de chasis a diferencia de los tubulares está compuesto de piezas laminadas, plegadas, embutidas y soldadas para construir una estructura ligera y "compacta" sobra la cual se montan los demás componentes. En la siguiente imagen se aprecia un ejemplo de un tip ode chasis compacto en el cual se observa un "piso" y dos estructuras en forma de "arco" que nacen en la puerta delantera suben al techo y terminan en la parte baja de la puerta trasera, dichos arcos tal como en lso chasis tubulares (jaula) son los que tienen la tarea de dar rigidez al techo del auto en caso de volcamiento para evitar que éste se aplaste contra el conductor. Éste es el tipo de chasis mas utilizado en la industria automotriz hoy en día ya que a pesar de que se vé trabajoso de fabricar en realidad es el más económico de realizar para producción en serie debido a la facilidad de estandarización de sus procesos, en algunos casos son soldados por robots automatizados o por personal altamente calificado.
Éste tipo de chasis a diferencia de los tubulares está compuesto de piezas laminadas, plegadas, embutidas y soldadas para construir una estructura ligera y "compacta" sobra la cual se montan los demás componentes. En la siguiente imagen se aprecia un ejemplo de un tip ode chasis compacto en el cual se observa un "piso" y dos estructuras en forma de "arco" que nacen en la puerta delantera suben al techo y terminan en la parte baja de la puerta trasera, dichos arcos tal como en lso chasis tubulares (jaula) son los que tienen la tarea de dar rigidez al techo del auto en caso de volcamiento para evitar que éste se aplaste contra el conductor. Éste es el tipo de chasis mas utilizado en la industria automotriz hoy en día ya que a pesar de que se vé trabajoso de fabricar en realidad es el más económico de realizar para producción en serie debido a la facilidad de estandarización de sus procesos, en algunos casos son soldados por robots automatizados o por personal altamente calificado.
Chasis Monocasco Fibra de Carbono:
Tal como el compacto es fabricado de un mismo material siguiendo la forma del auto, otra forma de fabricarlo es haciendo un monocasco de materiales compeustos, como la fibra de carbono por ejemplo, a pesar de ser un material experimental por ser ultra ligero y resistente (en la dirección que se quiere que sea resistente, porque en otra es completamente fragil) es muy utilizado para fabricar chasis de "una sola pieza horneada" de Fibra de carbono, lo que le dá una rigidez muy alta al auto, así como también un peso muy bajo. Es el más cosotoso de fabricar y su primero uso fue en la Fórmula1 en la generación de Ayrton Sena y su icónico Mclaren. Sin embargo hoy en día gracias a la popularización que tuvo con el Ferrari F40 muchos autos utilizan chasis de Fibra de Carbono.
Tal como el compacto es fabricado de un mismo material siguiendo la forma del auto, otra forma de fabricarlo es haciendo un monocasco de materiales compeustos, como la fibra de carbono por ejemplo, a pesar de ser un material experimental por ser ultra ligero y resistente (en la dirección que se quiere que sea resistente, porque en otra es completamente fragil) es muy utilizado para fabricar chasis de "una sola pieza horneada" de Fibra de carbono, lo que le dá una rigidez muy alta al auto, así como también un peso muy bajo. Es el más cosotoso de fabricar y su primero uso fue en la Fórmula1 en la generación de Ayrton Sena y su icónico Mclaren. Sin embargo hoy en día gracias a la popularización que tuvo con el Ferrari F40 muchos autos utilizan chasis de Fibra de Carbono.
Chasis Híbrido:
Es el resultado de intentar combinar las ventajas de cada tipo de chasis en una estructura compuesta por dos o tres métodos de fabricación de chasis, se utilzia tanto para vehículos de fabricación en serie como para autos de carreras experimentales. Por lo general se suele fabricar la cabina en fibra de carbono, combinada con largueros de aluminio donde se apoyan el motor y la suspensión, pero cualquier combinación es factible siempre y cuando ressita los esfuerzos. También se suele fabricar una cabina tipo monocasco combinada con uan estructura tipo jaula tubular para el motor, lo que aumenta mucho más la rigidez torsional.
Es el resultado de intentar combinar las ventajas de cada tipo de chasis en una estructura compuesta por dos o tres métodos de fabricación de chasis, se utilzia tanto para vehículos de fabricación en serie como para autos de carreras experimentales. Por lo general se suele fabricar la cabina en fibra de carbono, combinada con largueros de aluminio donde se apoyan el motor y la suspensión, pero cualquier combinación es factible siempre y cuando ressita los esfuerzos. También se suele fabricar una cabina tipo monocasco combinada con uan estructura tipo jaula tubular para el motor, lo que aumenta mucho más la rigidez torsional.
Chasis Híbrido del Alfa Romeo 4C, compuesto por un monocasco de fibra de carbono atornillado a una estructura tubular de aluminio y un arco de protección superor fabricado en tubos de acero. Tan solo la parte de fibra de carbono representa un 20% del costo de fabricación del auto, haciéndolo muy costoso.
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Chasis hibrido de un Audi, parte de la cabina está hecha en fibra de carbono y la otra en aluminio siguiendo la forma de un compacto. Abajo Estructura híbrida de un FormulaSAE
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Restricciones de Seguridad:
Así como para un Prototipo de FormulaSAE existen restricciones de seguridad para el diseño de chasis (principalmente para evitar cualquier posible daño físico al piloto en caso de un accidente) Totos los vehículos del mundo deben cumplir ciertos estándares de seguridad que, deacuerdo a cada región (Europea, Americana o Asiática) puede que algunos vehículos sean comercializables en algunos paises y en otros no.
Todos los vehículos durante su etapa de desarrollo deben ser sometidos a pruebas de impacto estandarizadas, lo que ante los organismos de seguridad industrial de cada país podrán determinar si el vehículo se peude o no vender en su país.
Varías de las pruebas de impacto estan diseñadas para simular los posibles choques que se encuentren al circular por las calles o autopistas, tales como impactos frontales, laterales, volcamientos entre otros, dichas pruebas deben realizarse SI o SI con el automóvil entero tal como si hubiese salido de la linea de ensamblaje. Esto último para los autos económicos no es problema pues sus líneas de producción tardan poco en fabricar otro pero fabricas de autos limitados como Koenigsegg Ferrari y Pagani también deben destinar varios de sus ejemplares a solo ser chocados para verificar sus parámetros de seguridad, dado que siempre la carga más importante que transporta el auto es la vida humana.
Varías de las pruebas de impacto estan diseñadas para simular los posibles choques que se encuentren al circular por las calles o autopistas, tales como impactos frontales, laterales, volcamientos entre otros, dichas pruebas deben realizarse SI o SI con el automóvil entero tal como si hubiese salido de la linea de ensamblaje. Esto último para los autos económicos no es problema pues sus líneas de producción tardan poco en fabricar otro pero fabricas de autos limitados como Koenigsegg Ferrari y Pagani también deben destinar varios de sus ejemplares a solo ser chocados para verificar sus parámetros de seguridad, dado que siempre la carga más importante que transporta el auto es la vida humana.
Rigidez Torsional:
Tal como en estudios sobre resistencia de materiales una barra incrustada en una pared sometida a una torsión deformará angularmente dicha barra en proporción a la elasticidad del material, un automóvil completo también puede asemejarse a una barra a torsión dado que la suspensión al tener cuatro puntos de apoyo (uno para cada rueda) y cada uno ejercerá una fuerza distinta sobre el chasis en el que se apoyan, toda la estructura tendrá tendencias a sufrir de torsión, por lo que los ingenieros siempre tratan de triangular elementos mecánicos del chasis que conecten el lado izquierdo con el derecho para aumentar la rigidez o utilizar materiales de mayor resistencia.
Tal como en estudios sobre resistencia de materiales una barra incrustada en una pared sometida a una torsión deformará angularmente dicha barra en proporción a la elasticidad del material, un automóvil completo también puede asemejarse a una barra a torsión dado que la suspensión al tener cuatro puntos de apoyo (uno para cada rueda) y cada uno ejercerá una fuerza distinta sobre el chasis en el que se apoyan, toda la estructura tendrá tendencias a sufrir de torsión, por lo que los ingenieros siempre tratan de triangular elementos mecánicos del chasis que conecten el lado izquierdo con el derecho para aumentar la rigidez o utilizar materiales de mayor resistencia.
Para realizar dicho estudio se debe suponer que el chasis está sujetado desde su parte trasera y a continuación se ejercerá una fuerza en los puntos de apoyo de su suspensión una fuerza igual al valor máximo calculado que resistirán los resosrtes de la suspensión. éste tipo de estudios suelen hacerse mediante simuladores dada la complejidad del análisis matemático del chasis, y también en algunos casos se mide la rigidez torsional en forma física
La rigidez torsional representa los newtons de fuerza que se deben ejercer por cada metro de brazo (en forma de torque) para hacer que la estructura se deforme 1º a la vez. Para calcularla se utilizan las fórmulas de la siguiente manera:
A continuación una tabla comparativa de rigidez torsional de varios autos
NOTA: Los autos con menor rigidez torsional suelen ser los cabriolet o convertibles, dado que no poseen un "techo" tampoco arcos que triangulen el lado izquierdo del chasis con el lado derecho y, al soportar todo el peso tanto de los pasajeros como del motor y la transmisión suelen ser los que a mediano/largo plazo se deforman con mayor facildiad, adicional al pandeo que les provocan de manera longuitudinal. una forma fácil de saberlo es fijándose en las juntas de las puertas, si estas tienen una distancia paralela desde la parte de arriba hasta la parte de abajo de la puerta el auto está bién (o posiblemente fué trabajado en latonería) pero si la junta en la parte superior de la puerta es mucho mas pequeá que en la parte inferior del auto entonces el chasis ya ha comenzado a deformarse. ésto es válido solo para autos convertibles.