Post on 28-Oct-2021
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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)
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Análisis de Cinemática y de dinámica de mecanismos (Dinámica multicuerpos)
Simulación mecánica de eventos (MES)
Análisis de control de sistemas
Simulación de procesos de manufactura como forja, moldes y troquelados
Optimización del proceso del producto
Algunos problemas de la ingeniería requieren la simulación de fenómenos múltiples
para representar la física subyacente. Las aplicaciones CAE que abordan dichos
problemas usualmente se llaman soluciones de física múltiple.
Análisis de Elementos Finitos (FEA)
Por si siglas en Inglés, Finite Element Analysis.
Mayormente utilizado en las industrias aeroespacial, automotriz y biomecánica, FEA
es el modelado de producto o sistemas en un ambiente virtual, con el objetivo de
encontrar y resolver problemas existentes o potenciales estructurales o de rendimiento.
FEA es la manera práctica del método de elemento finito FEM que es usado para
resolver numéricamente problemas muy complejos tanto estructurales, de fluidos o
sistemas multi físicos.
Un modelo de elemento finito comprende un sistema de puntos, llamados nodos, los
cuáles adquieren la forma del diseño. Los elementos finitos se forman conectando
estos nodos entre sí, pudiendo adquirir formas rectangulares, triangulares, poligonales,
etc. Cada uno de estos elementos finitos tiene condiciones de frontera específicas,
condiciones de carga y propiedades asociadas a un material, por lo tanto puede ser
resuelto y ser obtenidos deformaciones y esfuerzos, sobre cada elemento.
Para formas complejas, la sumatoria de los resultados de todos los elementos finitos
en los cuáles fue mallada la forma, es el resultado total.
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Capítulo 1
Estado del Arte
La Motocicleta
En 1885 Gottlieb Daimler y Wilhelm Maybach construyeron lo que se considera la
primera motocicleta de la historia. Esta motocicleta, construida con un bastidor y unas
ruedas de madera, era más una forma de probar un nuevo motor de combustión que
una motocicleta en sí.
Figura 1.1 Primera motocicleta de la Historia, ingeniero Gottlieb Daimler
Fuente: Historia de la Motocicleta (p.1)
Fueron los hermanos Werner quienes plasmaron la tipología de moto que se
mantiene hoy en día. Su motocicleta disponía de un bastidor tubular, muy similar al de
una bicicleta, en el cual el motor se alojaba en la parte central de la moto. La dirección
se encomendaba a una horquilla y el depósito de gasolina ocupaba un lugar central
delante del asiento del piloto, que se situaba sobre el conjunto, manejando la moto a
través de un manillar que incluía los principales mandos.
La “nueva Werner” se manejaba mucho mejor gracias a su centro de gravedad más
bajo y sentó el modelo a seguir. También en 1901 la firma estadounidense Indian
construyó su primer modelo y, un año después, Harley-Davidson haría lo propio.
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Figura 1.2 Motocicleta Werner 1901
Fuente: http://motors-bay.com/werner/262-werner-1901.html
Fecha de Consulta: 2012-Octubre-05
Evolución del Chasis de las Motocicletas
La motocicleta de los hermanos Werner de 1901, es probablemente la primera moto
con una estructura pionera de las actuales. Básicamente se trata de un bastidor de
bicicleta A reforzado que ya instala el motor en su parte central B y, aunque no dispone
de suspensión, ya adopta la horquilla C como método para la dirección del vehículo. El
depósito de gasolina se encuentra en la parte superior, y la estructura está formada por
tubos de acero de pequeña sección, logrando una estructura cerrada, rígida y ligera.
Este tipo de diseño pasará a denominarse "cuna", pudiendo construirse de varias
formas, según sea simple o doble, y cerrada completamente o abierta en la zona del
motor.
Con el tiempo la rigidez debe aumentar y los tubos van agrandando su sección, al
tiempo que los diseñadores más originales comienzan a innovar formas y diseños. La
Scott de 1909 en la plantea un bastidor A abierto por su parte superior, en el que el
motor realiza una función importante. Ya hay suspensión delantera B, aunque la rueda
trasera todavía mantiene un anclaje fijo C. El motor se sitúa de nuevo en la parte
inferior D.
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Figura 1.3 Chasis Scott
Fuente: M. Arias-Paz Guitan (2003, p.544). Motocicletas (32ª ed.)
La BMW R-32 de 1923, no presenta grandes novedades respecto a lo conocido en
ese momento, pero aprovecha el sistema de transmisión A, como elemento resistente,
jugando con una gran ligereza y de nuevo utilizando el tubo de acero B, aunque
intentando emplear las mínimas cantidades, estudiando los puntos más adecuados. De
nuevo el motor situado en la zona C tiene una gran importancia en la función resistente
del chasis.
Figura 1.4 Chasis BMW
Fuente: M. Arias-Paz Guitan (2003, p.544). Motocicletas (32ª ed.)
A finales de la década de los treinta aparece una motocicleta exclusiva. Está dotada
de un nuevo bastidor A tan exclusivo como ella, la Vincent HRD Rapid de 1939. El
motor situado en la posición B tiene una función portante muy importante, hasta el
punto de que la suspensión trasera está directamente anclada a él por su parte trasera
mediante el tirante C.
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Figura 1.5 Chasis H.R.D
Fuente: M. Arias-Paz Guitan (2003, p.545). Motocicletas (32ª ed.)
Uno de los bastidores más famosos de la historia es sin duda el que equipaba la
Norton Manx del año 1950. Este chasis hizo famosos a los hermanos McCandless. Se
trata de un chasis A, de tubo de acero de tipo doble cuna cerrada con dos partes bien
diferenciada. Por un lado, la estructura que soporta el motor B, formada por una doble
cuna cerrada, y por otro, un subchasis posterior C, que sirve de soporte para el piloto y
para la amortiguación posterior D, que se realiza por medio de un sistema de
basculante articulado y amortiguadores.
Figura 1.6 Chasis Norton
Fuente: M. Arias-Paz Guitan (2003, p.546). Motocicletas (32ª ed.)
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El chasis que muestra la Figura 2.7 vuelve a emplear el motor como un elemento
estructural importante.
Figura 1.7 Chasis Honda
Fuente: M. Arias-Paz Guitan (2003, p.546). Motocicletas (32ª ed.)
La Norton Challenge muestra un chasis del tipo "multitubular" señalado como A. Se
trata de una derivación de los bastidores tradicionales de tubo, pero, en vez de adoptar
las clásicas estructuras de tipo cuna, ancla el motor por la parte superior con
numerosos tubos de sección recta B, de modo que los tubos no trabajen con esfuerzos
de flexión. De esta manera, se aumenta de manera considerable la rigidez de la
estructura, sin que ello represente un mayor peso. Esta estructura es complicada y
cara, pero, hasta la llegada de los siguientes bastidores, se consideraba como la mejor
para motocicletas de altas prestaciones.
Figura 1.8 Chasis Norton
Fuente: M. Arias-Paz Guitan (2003, p.548). Motocicletas (32ª ed.)
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La gran revolución de la estructura y forma del chasis llegó a principios de los años
80, cuando prácticamente a la vez Yamaha y un pequeño constructor de motos de
carreras, Antonio Cobas, presentan la estructura que con el tiempo pasaría a llamarse
de "doble viga". En este caso, con una aleación ligera, se forma una estructura A, que
une directamente la pipa de sujeción de la suspensión delantera B con el eje del
basculante trasero C. Se consigue una estructura muy rígida y a la vez ligera y sencilla
de fabricar.
Figura 1.9 Chasis Cobas
Fuente: M. Arias-Paz Guitan (2003, p.548). Motocicletas (32ª ed.)
En la actualidad, los tipos de doble viga dominan el mercado de la moto de carretera,
donde el precio de las aleaciones ligeras está permitido. El acero y el aluminio son los
materiales empleados, aunque es el primero el más utilizado por su menor coste.
Figura 1.10 Chasis de Doble Viga Cerrado, Kawasaki ZRX 750 (1990)
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p41).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta.
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Tipos de Chasis Actuales
Chasis tipo viga
Esta clasificación comprende varios tipos diferentes (espina dorsal tubular, viga de
acero prensado, monocoque y el doble viga) que utilizan miembros de sección grande
para su rigidez inherente bajo cargas de torsión y flexión. Las vigas también se pueden
combinar con triangulación para producir un diseño práctico.
Chasis tipo Triangular
Aunque éste tipo pueden tener una eficiencia estructural extremadamente alta, han
encontrado poca aceptación entre los principales fabricantes. Probablemente esto se
debe a la forma y tamaño de los tipos de motores más populares requieren una
estructura amplia y complicada (por lo tanto caro).
Ambos enfoques de diseño pueden tomar en cuenta al motor como elemento
estructural secundario o principal.
Existen también los chasis de configuración monocoque, los cuáles emplean como
estructura principal la carrocería o carenado de la máquina .
Procesos de manufactura en Chasis para motocicleta.
Los procesos empleados para la construcción del chasis dependen del tipo al que
pertenezca este. Así tenemos que para chasis monocoque, puede ser forja o fundición,
así como los chasis con doble viga intervienen la fundición y la soldadura, mientras
que los chasis tubulares requieren de mucha soldadura en sus piezas que suelen ser
fundidas y maquinadas.
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Tendencias de Diseño en Chasis
El diseño óptimo del chasis depende del tamaño y la forma del motor y la finalidad
prevista de la máquina. Mientras que una pequeña columna vertebral tubular o de
acero prensado se adapte a una motocicleta tanto por razones estructurales y
económicas, las máquinas de grades prestaciones pueden ser mejor diseñadas con el
motor como el principal elemento estructural. A pesar de posibles beneficios
estructurales y económicos, esta configuración no ha encontrado mucha aceptación
entre los principales fabricantes, donde podría desarrollarse fluidamente, ya que el
motor debe ser especialmente diseñado con requerimientos estructurales.
La tradición probablemente ha garantizado la supervivencia del bastidor múlti-
tubular, tal vez con un mayor uso de acero prensado. A su favor esta su fácil
adaptabilidad a diferentes tamaños y estilos de motores. Pero es difícil de producir en
masa de forma barata.
La configuración de chasis actual de elección para máquinas deportivas, ha sido el
marco de doble viga de aluminio, por su facilidad de ser producido a bajos costos en
grandes cantidades, sin embargo necesitan de un motor especialmente diseñado para
funcionar como elemento estructural, y muchos ejemplos no proporcionan una rigidez
suficiente por sí mismos. Por otro lado se observa en los campeonatos mundiales de
motociclismo que la configuración tubular también es una buena solución de diseño
para el rendimiento de la motocicleta.
Figura 1.11 Ducati GP9, Chasis de Carbono
Fuente: http://www.motorpasionmoto.com/motogp/ducati-gp9-y-su-chasis-de-carbono
. Fecha de Consulta: 2012-Octubre-05.
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Cargas sobre el chasis
En este apartado se tratarán las fuerzas que se ejercen sobre el chasis de una
motocicleta en las situaciones más extremas: en frenada máxima en la rueda delantera
y en paso por curva.
Frenada máxima en la rueda delantera
En esta situación se considerará que solamente se frena con el freno delantero con
la máxima eficiencia posible. Este caso someterá a máxima flexión el chasis, ya que si
se utilizase también el freno trasero su acción reduciría el momento aplicado por la
horquilla en la pipa de dirección.
La fuerza de frenada en la situación límite vendrá determinada por la geometría de la
moto. Las fuerzas representadas en la figura muestran el peso P de la moto (y piloto en
su caso) y su reacción en el suelo F1 y F2. La fuerza debida a la inercia que lleva la
moto debido a su deceleración es representada por F4. Esta fuerza es compensada en
la frenada con la reacción que el suelo realiza sobre el neumático F3.
Figura 1.12 Fuerzas en frenada máxima en rueda delantera
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.43).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
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La suma vectorial de P y F4 será un vector aplicado en el CDG que deberá estar
alineado, en el caso límite, con el vector resultante de la suma vectorial de F3 y F2,
situado este último en el punto de contacto entre la rueda delantera y el asfalto. Si las
fuerzas F3 y F4 aumentaran por encima de la situación límite, la moto de la figura
empezaría a girar es sentido antihorario a través de un eje situado perpendicular al
dibujo y que pasa por el punto de contacto entre el neumático delantero y el asfalto.
Se debe tener en cuenta que la frenada provoca el hundimiento de la horquilla,
fenómeno que tiene por efecto secundario bajar el CDG de la moto y disminuir la
distancia vertical entre F4 y F3, aunque no se considerará ya que suponer la situación
rígida provoca una solicitación mayor, por lo que será un caso de diseño aún más
crítico.
Paso por curva
Este análisis se efectuará considerando el paso por curva de la moto con su
inclinación máxima, y por tanto, no existirán fuerzas de aceleración ni de frenada ya
que todo el agarre del neumático se destinará a vencer la fuerza centrífuga debido al
paso por curva. El vector resultante de la suma vectorial de F1 y F2 deberá ser colineal
con el de la otra suma vectorial de P y F3 tanto en la rueda trasera como en la ruda
delantera.
Figura 1.13 Fuerzas en paso por curva
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.44).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
29
El punto de aplicación de la fuerza entre los neumáticos y el asfalto se verá
desplazado hacia la derecha respecto al plano de simetría vertical de la moto debido a
la inclinación, el ancho de neumáticos y al avance al aplicar el ángulo de deriva
necesario para tomar la curva. La postura de “descuelgue” del piloto compensa este
efecto desplazando el CDG también hacia la derecha respecto al plano mencionado
anteriormente, provocando un esfuerzo torsional añadido.
Figura 1.14 Posición de “descuelgue” del piloto
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.45).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
Estabilidad en una motocicleta
Cuando se habla de la estabilidad de las motocicletas, es común que rápidamente
se piense en el efecto giroscópico de las ruedas en rotación. Dicho efecto existe y
aporta su granito de arena pero su efecto es relativamente pequeño, no es suficiente
para mantener la estabilidad de la moto ni siquiera en línea recta. De hecho, es posible
construir motocicletas sin efecto giroscópico. Basta con añadir ruedas que giren en el
sentido contrario (pero sin tocar al suelo para no frenar el movimiento). Este
movimiento contrario contrarresta el momento angular de las ruedas normales. Si el
efecto giroscópico fuera esencial para la estabilidad de la motocicleta, estos vehículos
no deberían poder circular. Pero eso no es así. El único lugar en que el efecto
giroscópico es realmente importante es en la competición. En una carrera queremos ir
siempre al límite y por lo tanto aprovechamos cualquier ayuda. Aunque sea
relativamente poco, algo aporta, y por lo tanto permite ir un poco más rápido en curva.
30
Físicamente, una moto es lo que llamamos un péndulo invertido. En un péndulo
normal tenemos un punto fijo y una masa que cuelga por debajo de él. Si movemos un
poco la masa de su sitio, la gravedad tirará de él y, por lo tanto, volverá a bajar por su
propio peso. Es decir, un péndulo simple vuelve por si sólo a la posición de equilibrio,
decimos que es un “sistema estable”.
Sin embargo, una motocicleta funciona justo al revés. El punto fijo (donde las ruedas
contactan con el pavimento) está por debajo de la masa. Puede mantenerse en
equilibrio únicamente si el centro de gravedad permanece justo por encima de la línea
que une ambas ruedas. Pero cualquier desviación, por pequeña que sea, hará que el
peso la tire al suelo. Es decir, por si solo el péndulo invertido tiende a alejarse de la
posición de equilibrio, es un “sistema inestable”.
Por lo tanto, debemos compensar tan rápidamente como sea posible cualquier
pequeña desviación que ocurra. Es imperativo hacer que el centro de gravedad vuelva
a estar sobre la línea que une los puntos de contacto de cada rueda con el suelo.
Esencialmente, hay dos formas de hacerlo:
Dejar las ruedas quietas, y simplemente cambiar de sitio el centro de gravedad
para que vuelva a la línea de estabilidad. Por ejemplo, si la moto está
empezando a ladear hacia la derecha, lo que podemos hacer es desplazar
nuestro cuerpo hacia la izquierda. El cambio de posición de nuestra masa,
corrige la posición del centro de gravedad del sistema moto-piloto, devolviendo
la estabilidad.
Dejar el centro de gravedad donde está, y mover las ruedas de forma que la
línea que las une vuelva a estar debajo del centro de gravedad. Esto se
consigue girando el manillar y avanzando (o retrocediendo) un poco. Al
movernos unos centímetros con el manillar girado, la moto gira un poco. Por lo
tanto, la línea que une ambas ruedas también gira, y se vuelve a situar debajo
del centro de masas, recuperando la estabilidad.
De estas dos formas podemos mantener el equilibrio cuando la motocicleta está
quieta, o se desplaza a muy poca velocidad. La primera de ellas funciona mejor en
vehículos ligeros, como bicicletas o ciclomotores. En una moto grande, la masa de
31
nuestro cuerpo es pequeña en comparación con la del conjunto, por lo que la influencia
de nuestra postura es menor. Por eso en una moto grande la mejor opción es mover el
manillar. Cuando la moto se está moviendo a gran velocidad, el sistema no cambia
mucho. Es cierto que la tendencia de las ruedas a mantener el plano de su rotación
puede compensar parte de las desviaciones laterales que se producen, pero como ya
se ha mencionado, este efecto giroscópico no es suficiente para mantener la
estabilidad. De hecho, seguimos teniendo las mismas opciones anteriormente
descritas: o bien el piloto se balancea un poco para mantener el equilibrio, o bien
giramos el manillar. El primer método funciona especialmente bien en las bicicletas. En
ellas, al ser muy ligeras, el ciclista necesita balancearse muy poco para compensar las
pequeñas desviaciones pudiendo cubrir grandes distancias sin siquiera tocar el
manillar. Sin embargo el método más útil es girar el manillar. Pero se debe hacer con
sutileza: como ahora nos estamos moviendo a gran velocidad, cualquier mínimo giro en
el manillar, se traduce en un desplazamiento lateral de la moto muy exagerado. Por lo
tanto, cuanto más rápido se va, menos es necesario mover el manillar para mantener el
equilibrio. De hecho, a grandes velocidades, las correcciones son tan sutiles que casi
se realizan de forma inconsciente. .
Características de Diseño
La geometría de la motocicleta es una parte fundamental en su diseño, sobre todo
desde el punto de vista de la seguridad de marcha. Destaca la geometría del chasis,
con unas medidas y ángulos específicos facilitados por el fabricante que influyen
directamente en que la motocicleta tenga un comportamiento perfecto, con estabilidad
a cualquier velocidad y circunstancia, ya sea en línea recta o en curva. La geometría
tiene cada vez más importancia debido a la aparición de nuevos modelos cada vez más
potentes y prestacionales que requieren mayor estabilidad en movimiento. La
configuración geométrica del chasis influye además de manera decisiva en el
comportamiento de la parte ciclo de la moto, que en gran parte decidirá que una moto
sea más o menos estable a elevada velocidad.
32
La geometría del chasis, así como el reparto de pesos son características que
condicionan que una moto sea estable, o por el contrario ágil y nerviosa, debiendo el
fabricante encontrar entre todas ellas un compromiso que permita un uso racional de
cada modelo. En la geometría de la motocicleta hay 2 ejes esenciales: el de dirección y
el basculante. El eje de dirección lo configura la línea sobre la cual gira el sistema de
dirección; es decir, la tija y la horquilla delantera. Aquí ancla el tren delantero al chasis.
También se denomina eje del cabezal de dirección o eje de la pipa. El eje del
basculante es el eje sobre el que gira el basculante trasero; es decir, donde ancla el
tren trasero.
Figura 1.15 Ejes principales de la motocicleta
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.53).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
La geometría de la moto está influenciada por varias medidas, entre las que
destacan las de la dirección. Esta queda determinada por 2 factores: el avance y el
propio ángulo de avance o de dirección.
Lanzamiento
El ángulo de avance o de dirección, también llamado lanzamiento, es el formado por
el eje de la dirección con la vertical. Es un ángulo muy importante, pues determina, en
colaboración con otros factores, la facilidad de la motocicleta para inclinarse al tomar
curvas. De hecho, las motocicletas de un mismo segmento suelen tener un ángulo de
lanzamiento muy similar. Para un mismo avance sucede generalmente que un ángulo
de dirección menor confiere mayor facilidad de giro.
33
Figura 1.16 Lanzamiento en una motocicleta
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.53).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
Para motos convencionales este ángulo varía entre 22 y 29 grados pero se pueden
encontrar casos especiales como las chopper. Este ángulo deja de tener importancia
en sistemas como el Telelever de BMW, suspensiones de paralelogramo o monobrazos
delanteros.
Avance
Es la distancia entre el punto de contacto de la rueda delantera con el terreno y la
prolongación del eje de la dirección a su intersección con el suelo. La rueda, debido a
la inclinación del eje de dirección y a que éste no pasa por el centro de la rueda, no gira
alrededor del punto de contacto del neumático con el suelo. Esto provoca el
autoalineamiento de la rueda delantera que, de no mediar fuerzas aplicadas sobre la
dirección, tiende a seguir siempre una trayectoria rectilínea aportando estabilidad.
Cuanto mayor es el avance más intensa es esta tendencia. El objetivo principal del
avance es el de dar a la motocicleta una cierta estabilidad en línea recta. Este avance
produce sobre la rueda delantera un momento (Fuerza x Distancia), que es
precisamente el que nos ayuda a conducir la moto. Mientras el avance sea positivo,
este momento siempre girara la dirección para ayudar a la rueda a ir en la dirección
deseada, mientras que si el avance se vuelve negativo este momento girará
bruscamente la dirección hacia dentro y provocará una caída. La principal función del
avance de la rueda delantera es proporcionar una cierta estabilidad direccional.
34
Figura 1.17 Avance en una motocicleta
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.54).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
Los avances típicos para motos de carretera están entre 80 y 120mm pero hay que
decir que pequeñas variaciones en este pueden producir grandes cambios.
Un avance Mayor nos proporcionará un momento mayor pero nos restará agilidad.
Un avance Pequeño nos proporcionará un momento menor pero la moto será muy ágil.
Distancia Entre Ejes
La batalla o distancia entre ejes es la cota entre los ejes de ambas ruedas cuando la
motocicleta está en reposo. En parte determina la manejabilidad, aumentando con ella
la tendencia a seguir recto cuando se inicia un giro. Cuanto más larga es la moto, más
ángulo ha de girar la dirección para tomar una curva. Por tanto, la distancia entre ejes
también influye en la maniobrabilidad. En muchas motocicletas es normal un ajuste de
entre 20-40mm para el tensado de la cadena. Aunque la distancia entre ejes no es un
tema crítico en el sentido de que tiene que ser exacto, influye mucho la maniobrabilidad
de la moto y su feeling. Superando los 1450 mm se deja de sentir agilidad y esta no se
recupera aunque se utilicen cotas súper agresivas. Por eso la cadena de transmisión
tiene cierto margen de estiramiento y la práctica de cortar eslabones para mantener la
tensión de ésta tiende a disminuir la distancia entre ejes.
35
Figura 1.18 Distancia entre ejes
Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.55).
Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta
Una distancia entre ejes grande produce una gran estabilidad en recta.
Una distancia entre ejes corta provoca lo contrario, poco estable en recta.
La interacción de los tres elementos anteriores (Avance, Lanzamiento y Distancia
entre ejes) es crucial para determinar el comportamiento de una motocicleta.
Las horquillas convencionales es el mejor mecanismo para combinar estos factores
ya que:
1. Cuando frenamos la horquilla se “hunde”, por lo tanto el lanzamiento disminuye:
las barras se vienen hacia adentro y consecuentemente disminuye el avance. Esto nos
proporciona dos cosas: menor distancia entre ejes (moto más ágil) y mejor
maniobrabilidad. Justo lo que necesitamos para entrar cómodamente en una curva.
2. Cuando aceleramos (por ejemplo en la autopista) la horquilla delantera se
extiende, aumentando el lanzamiento y consecuentemente el avance; esto nos
proporciona mayor distancia entre ejes y menos maniobrabilidad (dirección más dura),
con el consecuente aumento de estabilidad, lo que necesitamos para ir seguros a gran
velocidad.
36
Materiales
Titanio
El titanio es un elemento metálico de color gris oscuro, de gran dureza, resistente a
la corrosión y de propiedades físicas parecidas a las del acero. Presenta una estructura
hexagonal compacta, es duro, refractario y buen conductor de la electricidad y el calor.
También se caracteriza por su alta resistencia a la corrosión y cuando está puro, se
tiene un metal ligero, fuerte, brillante y blanco metálico de una relativa baja densidad.
Posee muy buenas propiedades mecánicas y además tiene la ventaja, frente a otros
metales de propiedades mecánicas similares, de que es relativamente ligero.
La aleación más empleada es la Ti-6Al-4V (con un 6% de Aluminio y un 4% de
Vanadio), que tiene unas extraordinarias propiedades mecánicas: Resistencia a la
tracción de 896 MPa, límite elástico de 827 MPa, ductilidad del 10%, dureza de 33 HRB
y una soldabilidad muy buena. Las aleaciones de Titanio permiten una la fabricación de
piezas con una relación resistencia/masa envidiable y es posible esto le haga ser el
material del futuro para la construcción de elementos mecánicos, con resultados
excepcionales, en el campo de las motocicletas de competición.
El uso del Titanio en chasis empezó hace algunos años, cuando éste dejó de ser un
metal de uso sólo en el ámbito aeronáutico. Sin embargo, hay cambios notables con
respecto a las aleaciones que se usaban en un principio, y las actuales. En aquel
momento, se comenzaron a construir en Titanio los chasis tubulares. Pero estos
vibraban demasiado, ya que el tamaño de los tubos era igual que el de los tubos de
acero, y el Titanio, tiene la mitad de módulo. Por esta razón, los primeros intentos
fueron un fracaso debido a los costes elevados, y procesos de construcción muy
rudimentarios hicieron el resto.
37
A mediados de los años 70, debido a que muy pocas empresas tenían fondos como
para desarrollar los conocimientos para el tratamiento y manejo del Titanio, la
Federación Internacional de Motociclismo (FIM) prohibió el uso de componentes de
este material tanto para el chasis como para las suspensiones en motocicletas de
competición. En la actualidad, la situación es completamente distinta, han aparecido en
escena nuevas aleaciones con mejores características, reduciéndose el precio final (a
pesar de que sigue siendo elevado), de esta manera el Titanio ya no es un material
crítico, pudiendo ser trabajado y tratado sin excesivas dificultades.
Los primeros chasis fueron hechos de madera, y con el paso del tiempo las
aleaciones metálicas pasaron a ser los materiales por elección en la estructura de
motocicletas.
Actualmente se fabrican chasis de aleaciones Ferrosa, de Aluminio, Materiales
Compuestos con Fibra de Carbono como elemento de refuerzo, entre aleaciones
menos comunes que implican materiales como Titanio, Vanadio, Magnesio, Níquel,
Cromo.
Los materiales usados para este tipo de estructuras tienden a ser más eficientes
estructuralmente, lo que significa que la relación Rigidez/Peso sea más alta, para ellos
se usarán Materiales Compuestos principalmente de Fibra de Vidrio así como la
incursión de Nano Materiales una vez que el desarrollo de ambos este consolidado
38
Capítulo 2
Definición de las Características de Diseño
En base a la investigación que se realizó, se sabe que los chasises de configuración
tubular y con arreglo de armadura, son estructuralmente muy eficientes, ya que son
ligeras y son muy rígidas. Están sometidas a cargas de tensión y compresión, no de
flexión.
Por estas razones se decidió escoger una estructura del tipo armadura con
elementos de sección tubular de 4 diámetros y espesores diferentes.
Diámetro de 21.3 mm con espesor de 2 mm para los elementos intermedios
Diámetro de 33.7 mm con espesor de 3 mm para los elementos perimetrales
Diámetro de 48.3 mm con espesor de 4 mm para los elementos del eje
trasero.
Diámetro de 76.1 mm con espesor de 4 mm para el elemento que encerrará a
la pipa de dirección.
La suspensión trasera se supone rígida y sin amortiguamiento, para facilitar el
diseño y el análisis.
Se asignará una aleación de Titanio Ti-6Al-4V a la estructura con las siguientes
propiedades:
Densidad = 4420 kg/m^3
Módulo de Elasticidad = 110 GPa
Esfuerzo último en tensión (UTS) = 1000 MPa
La ventaja de este tipo de configuración es que no necesita un motor
específicamente diseñado para servir como elementó estructural, por lo que se tienen
diferentes posibilidades en elección de motor.
39
Se tomará como base el modelo de Chasis Krauser diseñado para la motocicleta
BMW MKM 1000
Figura 2.1 Chasis BMW Krauser
Fuente: Tony Faole (2002, p.10-11). Motorcycle Handling and Chassis Design the Art & Science
Figura 2.2. Motocicleta Deportiva BMW Krauser MKM 1000 1982
En el diseño de este Chasis no se toma en cuenta características de geometría
como el Avance, la distancia entre ejes o el lanzamiento. Ya que estos parámetros
tienen más relevancia en el comportamiento dinámico de la motocicleta, y en este
trabajo no se aborda la dinámica del vehículo.
40
Capítulo 3
Modelado del Chasis
A través del software CAD, CATIA® desarrollamos la geometría del chasis cuestión
de este trabajo.
Dentro del módulo de “Part Design” se estableció la posición de origen en el eje
simétrico del chasis, y basándose en el modelo BMW Krauser Figura X se
determinaron las coordenadas de los nodos de la estructura, representados por puntos;
dichos puntos se utilizaron para crear líneas entre ellos y así darle forma al chasis
como lo muestra la Figura 3.1.
Figura 3.1 Líneas y puntos del Chasis
Fuente: Desarrollo Propio
Se hizo un plano normal a cada una de las líneas para crear la sección transversal
asignada a cada una de ellas de acuerdo a los parámetros de diseño descritos en el
Capítulo 2, se añadió volumen a cada sección transversal y de esta manera fue
tomando forma el chasis.
Mediante Operaciones Booleanas se unieron en un solo cuerpo todos los elementos
de la estructura, posteriormente se crearon las formas que representan los filetes de
soldadura en todas las uniones de los elementos. La Figura 3.2 muestra el resultado.
41
Figura 3.2 Chasis modelado con filetes de soldadura
Fuente: Desarrollo Propio
Finalmente se añadió el material propuesto en el Capítulo 2, una aleación de Titanio.
La Figura 3.3 ilustra el supuesto aspecto del Chasis ya terminado.
Figura 3.3 Chasis de Titanio
Fuente: Desarrollo Propio
Es importante mencionar que el modelado y fabricación de este tipo de estructuras
tubulares debe tomar en cuenta la forma de los cortes de los tubos en los puntos de
unión ya que entre más elementos se unan en un nodo, los cortes necesarios son más
complejos y costosos, aunado a la crítica sustracción de material en los elementos
estructurales.
42
Considerando la manera más fácil para soldar los elementos del chasis en las
uniones más complejas, se optó por añadir un elemento de sujeción común entre los
tubos involucrados. La Figura 3.4 muestra está solución de diseño.
Figura 3.4 Solución de diseño para las uniones tubulares complejas
Fuente: Desarrollo Propio
Este modelo fue exportado con extensión .IGES para poder ser utilizado en el
Software CAE, ANSYS®.
Nota 1: Ver Apéndice I
Dibujo del Chasis para Motocicleta Deportiva Propuesto
43
Capítulo 4
Análisis Estructural del Chasis
Para comprobar que el chasis que fue propuesto en el capítulo 3, es una alternativa
viable y cumple con los requerimientos estructurales de una motocicleta de este tipo,
en este Capítulo se realizaran dos tipos de análisis: análisis estático y modal. Las
consideraciones para cada uno de estos análisis así como los resultados obtenidos se
describirán en este capítulo.
Análisis Estático
En esta parte del análisis se analizara la estructura sometida a cargas estáticas es
decir aquellas que no cambian en el tiempo (peso del conductor, el motor, la
transmisión y componentes necesarios).
Figura 4.1. Chasis modelado, en ANSYS Workbench
Fuente: Desarrollo Propio
44
La malla realizada se realizó con solid187 tetraedros.
Figura 4.2. Malla Chasis
Fuente: Desarrollo Propio
Figura 4.3. Detalle malla
Fuente: Desarrollo Propio
45
Las Cargas consideradas para el análisis estático del chasis se simplificaron en dos
una debida al peso del conductor de la motocicleta y otra debido al peso del motor, el
tanque de combustible, y transmisión. Considerando que el peso máximo para la
motocicleta es de 390 kg, y que el peso de la motocicleta sin piloto y con tanque de
combustible lleno es de 230 kg.
Peso máximo de Conductor: 160Kg →1570 N
Peso Motor, tanque, transmisión y accesorios: 180 Kg →1766 N
(Considerado el peso de la motocicleta sin piloto y con tanque lleno de combustible,
menos los rines y elementos que no son soportados por el chasis)
Figura 4.4. Puntos de Aplicación de Carga
Fuente: Desarrollo Propio
46
Las restricciones se hicieron en todos los grados de libertad en la parte de la
suspensión delantera y en donde llevaría el sistema de la llanta trasera. La imagen de
abajo muestra las cargas y restricciones aplicadas en ANSYS® Workbench.
Figura 4.5. Cargas estáticas debidas al peso del piloto y motor
Fuente: Desarrollo Propio
En este análisis se pueden ver las deformaciones en el chasis debido a cargas
estáticas, donde el mayor desplazamiento se encuentra en la zona donde se aplica la
carga del motor, tanque, transmisión y componentes.
Figura 4.6. Deformaciones Totales en el chasis debido a cargas estáticas
Fuente: Desarrollo Propio
47
Figura 4.7. Deformaciones Totales escala 740:1
Fuente: Desarrollo Propio
La imagen de abajo muestra los esfuerzos en tensión más altos.
Figura 4.8. Esfuerzos Principales Máximos
Fuente: Desarrollo Propio
El mayor esfuerzo se localiza en un punto de aplicación de carga, este esfuerzo se
considera una singularidad por forma en que se consideró aplicada la carga y se
desprecia para el factor de seguridad.
48
Figura 4.9. Pico Máximo de Esfuerzo
Fuente: Desarrollo Propio
Siendo el punto donde se localiza el peor esfuerzo el que se muestra en la imagen
de arriba con una tensión de 176.67 MPa, con este esfuerzo es el que se comparará
con el esfuerzo último del material para obtener el factor de carga y comprobar la
integridad de la estructura.
UTS Titanio= 1000 MPa
Factor de Carga = 1000 MPa / 176.67 MPa = 5.66
Por el resultado anterior se puede concluir que estáticamente la estructura del chasis
propuesto con titanio puede resistir 5.66 veces la carga a la que la se sometió en este
análisis.
Análisis Modal
El análisis modal se realiza para ver las frecuencias naturales de oscilación de la
estructura y comprobar si es lo suficientemente rígida, para evitar resonancia debido a
la vibración producida por el motor.
49
Para el análisis modal se realizó una idealización de la estructura, esto es de gran
importancia en el análisis estructural, ya que con ello se ahorra tiempo de
procesamiento, obteniendo resultados fiables.
La imagen de abajo muestra la idealización el chasis propuesto, líneas sólidas.
Figura 4.10
Fuente: Desarrollo propio
Se le agregara la sección transversal que se definió en el capítulo anterior.
Figura 4.11. Sección Transversal del Chasis
Fuente: Desarrollo propio
50
Figura 4.12
Fuente: ANSYS® Desarrollo propio
Figura 4.13. Mallado, Nodos Totales: 5669
Fuente: ANSYS®, Desarrollo propio
51
A continuación se muestra una tabla con las princípiales frecuencias de vibración de
nuestra estructura.
Tabla 1. Modos de Vibración del Chasis
Fuente: Desarrollo Propio
Tomando en cuenta el motor como la principal fuente de vibraciones que afecta a el
chasis, el cual opera a 6500 RPM (revoluciones por minuto) a máxima potencia se
realiza un diagrama de Campbell para ver las posibles resonancias en el chasis.
.
52
Figura 4.14. Diagrama de Campbell
Fuente: Desarrollo Propio
En el diagrama anterior se puede observar que el chasis propuesto no tendria
problemas de resonancia, para un motor de 6500 revoluciones o menos.
Figura 4.15. Primer Modo de vibración
Fuente: Desarrollo Propio
53
Figura 4.16. Segundo Modo de vibración
Fuente: Desarrollo Propio
Figura 4.17. Tercer Modo de vibración
Fuente: Desarrollo Propio
54
Figura 4.18. Cuarto Modo de vibración
Fuente: Desarrollo Propio
Figura 4.19. Quinto Modo de vibración
Desarrollo Propio
55
Capítulo 5
Procesos de Manufactura Aplicables al Chasis Propuesto
Al tratarse de una estructura tubular con secciones transversales circulares, fueron
elegidas las secciones con diámetros y espesores comerciales, por lo que no será
difícil conseguir los tubos de Titanio.
La aleación propuesta, Ti-6Al-4V es de las más comerciales y accesibles, además
de que se presta para ser soldada.
Este tipo de configuraciones se deben soldar, y el corte de los tubos en las uniones
es algo determinante para una buena fabricación. Lo cortes en los tubos se
recomiendan hacer en una máquina de fresado para poder obtener las curvaturas
necesarias, ya que en algunos tubos estas son complejas.
Finalmente ya con los tubos cortados a la medida se debe empezar a ensamblar
conforme el modelo lo indica ya que la secuencia en cómo se suelden los tubos es
determinante para obtener el producto deseado.
Una vez ensamblado el Chasis se recomienda darle un acabado con una pulidora, y
aplicar un recubrimiento para proteger a la estructura de la corrosión y oxidación.
56
Conclusiones
El chasis de Motocicleta Propuesto, con titanio como material con el objetivo de
tener una estructura más ligera, ha cumplido satisfactoriamente con las cargas
estáticas aplicadas en el análisis estructural teniendo un factor de carga de 5.66
comparado con el esfuerzo de ruptura del material, sin embargo al obtener el esfuerzo
máximo en la zona de unión se tendría que realizar un nuevo análisis tomando en
cuenta las propiedades de la soldadura y una reducción de propiedades del material
por efecto de la soldadura.
Del análisis modal se puede concluir que la estructura con titanio como material es lo
suficientemente rígida para evitar posibles interferencias con las vibraciones causadas
por el motor.
En conclusión podemos se puede decir que el Chasis propuesto con una aleación de
Titanio como material es más eficiente estructuralmente que el mismo tipo de Chasis
hecho de Acero, ya que mientras el primero tiene un peso de 17.68 kg, el segundo
pesa 31.44 kg, considerando que el chasis tiene un volumen de 0.004 m^3. Así mismo
el chasis propuesto cumple satisfactoriamente la prueba de rigidez.
Aunque el chasis propuesto haya pasado satisfactoriamente la prueba de rigidez y
se haya obtenido un factor de carga favorable en el análisis estático, los peores
esfuerzos en una estructura de este tipo son debidos a cargas dinámicas por lo cual
queda para futuros trabajos, realizar análisis dinámicos para el chasis y comprobar si
cumple estructuralmente.
La Hipótesis se cumple parcialmente, ya que son necesarios los análisis de cargas
dinámicas.
57
Referencias
1 Asier Larrauri García (2012). DISEÑO Y ESTUDIO DE MODIFICACIÓN DE
CHASIS Y BASCULANTE DE UNA MOTOCICLETA. Pamplona, Universidad
Pública de Navarra, Escuela Técnica Superior De Ingenieros Industriales y de
Telecomunicación.
2 M. Arias-Paz Guitan (2003). Motocicletas (32ª ed.). Madrid, España.
3 Tony Faole (2002). MOTORCYCLE HANDLING AND CHASSIS DESIGN the art
and science. España.
4 Patxi Vergara Culebras. (2011). MODELADO, ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE UN
CHASIS DE MOTOCICLETA. UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA
MECÁNICA. Madrid, España.
5 Oxford University Press. Oxford Advanced Learner’s Dictionary (5a Ed.). (2004).
6 http://www.plm.automation.siemens.com/es_mx/plm/cad.shtml
Fecha de consulta: 2013-Octubre-05
7 http://www.plm.automation.siemens.com/es_mx/plm/cae.shtml
Fecha de consulta: 2013-Octubre-05
8 http://www.plm.automation.siemens.com/es_mx/plm/fea.shtml
Fecha de consulta: 2013-Octubre-05
9 http://www.ruukki.com/~/media/Files/Steel-products/Tubular-products-and-cold-
formed-steel-sections-data-sheets/Ruukki-Hollow%20sections-dimensions-cross-
sectional-properties.pdf (Fecha de consulta: 2013-Octubre-05)
58
10 http://www.ketchum.org/BMWEnginePix/
Fecha de consulta: 2013-Octubre-05
11 http://www.maxbmwmotorcycles.com/fiche/DiagramsMain.aspx?vid=51664
Fecha de consulta: 2013-Octubre-05
12 http://www-cdr.stanford.edu/~petrie/bmw/R80ST/engines.html
Fecha de consulta: 2013-Octubre-05
13 http://www.bmbikes.co.uk/PDF%20Downloads/R100RSSpec.pdf
Fecha de consulta: 2013-Octubre-05
14 http://www.aerospacemetals.com/titanium-ti-6al-4v-ams-4911.html
Fecha de consulta: 2013-Octubre-05
15 http://motors-bay.com/werner/262-werner-1901.html
Fecha de Consulta: 2013-Octubre-05
Apéndice I
Dibujo del Chasis para Motocicleta Deportiva Propuesto
2
2
3