ISSN 0188-7114

DISEO CONCEPTUAL DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA DETERMINAR

RIGIDEZ EN LLANTAS NEUMTICAS

Publicacin No. 239 Sanfandila, Qro. 2004

Pablo Rodrigo Orozco Orozco Manuel de Jess Fabela Gallegos

Miguel Martnez Madrid

http://www.sct.gob.mx/http://www.imt.mx/http://www.imt.mx/Espanol/Publicaciones/

SECRETARIA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES

INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE

Publicacin Tcnica No. 239 Sanfandila, Qro, 2004

Diseo conceptual de un banco de pruebas para determinar

rigidez en llantas neumticas

I

Crditos y agradecimientos

Este documento fue elaborado por el Ing. Pablo Rodrigo Orozco Orozco, el Dr. Manuel de Jess Fabela Gallegos y el Dr. Miguel Martnez Madrid, investigadores y coordinador, respectivamente, de la Coordinacin de Ingeniera Vehicular e Integridad Estructural del Instituto Mexicano del Transporte. Se agradecen los comentarios y sugerencias del M. C. David Vzquez Vega y del M. C. Jos Ricardo Hernndez Jimnez, investigadores de la misma Coordinacin.

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ndice

Pgina

Resumen ...................................................................................................... V

Abstract ........................................................................................................ VII

Resumen Ejecutivo................................................................................... IX

Introduccin ................................................................................................ 1

1 Las llantas en los vehculos de transporte terrestre................. 5 1.1 Los vehculos terrestres ......................................................................... 5 1.2 La llanta neumtica ................................................................................ 6

1.2.1 Definicin ........................................................................................ 6 1.2.2 Invencin de la llanta y su aplicacin al automvil.......................... 7

1.3 Influencia de las llantas en el comportamiento mecnico del vehculo .. 8 1.4 Caractersticas de las llantas ................................................................. 13

1.4.1 Funciones bsicas de los neumticos ............................................ 13 1.4.2 Materiales utilizados en la elaboracin de los neumticos ............. 14

1.5 Estructura y tipos de neumticos ........................................................... 15 1.5.1 Estructura de los neumticos.......................................................... 15 1.5.2 Tipos de neumticos....................................................................... 15

1.6 Nomenclatura de los neumticos ........................................................... 18

2 Requerimientos de diseo del banco ............................................. 23 2.1 Etapas generales de diseo................................................................... 23 2.2 Propiedades mecnicas de las llantas. Enfoque experimental .............. 23 2.3 Normas ................................................................................................. 24 2.4 Tipos de carga ....................................................................................... 25

2.4.1 Fuerzas y momentos ...................................................................... 26 2.4.2 Factores de influencia en el comportamiento de las llantas............ 27

2.5 Tipo de movimiento................................................................................ 28 2.5.1 Sistema coordenado segn ISO 8855 ............................................ 28

2.6 Capacidades del banco.......................................................................... 29

IV

3 Diseo conceptual................................................................................. 31 3.1 Generacin de ideas ............................................................................. 31 3.2 Conceptos bsicos................................................................................. 32

3.2.1 Mecanismo de avance de la llanta ................................................. 32 3.2.2 Mecanismos de aplicacin de movimiento vertical y lateral ............ 35 3.2.3 Aplicacin de carga ........................................................................ 38

3.3 Evaluacin de alternativas y seleccin de configuraciones factibles...... 42

4 Propuesta de banco de pruebas....................................................... 45 4.1 Descripcin general ............................................................................... 45

4.1.1 Sistema 1. Marco estructural ......................................................... 46 4.1.2 Sistema 2. Soporte y carga de la llanta ......................................... 47 4.1.3 Sistema 3. Sistema de rodamiento ................................................. 49 4.1.4 Cimentacin ................................................................................... 50 4.1.5 Materiales principales ..................................................................... 51

4.2 Compatibilidad funcional (accionamientos e interferencias) .................. 53 4.3 Dimensiones Generales ........................................................................ 54

4.3.1 Banco global .................................................................................. 54 4.3.2 Sistema 1 ....................................................................................... 56 4.3.3 Sistema 2 ....................................................................................... 57 4.3.4 Sistema 3 ....................................................................................... 60

4.4 Ejemplo de clculo de componentes...................................................... 62 4.5 Generalidades de la instrumentacin (propuestas)................................ 66 4.6 Conceptualizacin virtual ...................................................................... 67 4.7. Otras aplicaciones posibles................................................................... 69

Conclusiones y recomendaciones ...................................................... 71

Referencias.................................................................................................. 73

Anexos .......................................................................................................... 76

V

Resumen

Uno de los principales componentes de los vehculos carreteros con gran influencia en su comportamiento dinmico, son las llantas. Entre las diversas funciones que las llantas desempean estn, las de soportar el peso del vehculo, proporcionar amortiguamiento, control direccional y traccin para producir y controlar el desplazamiento. Estas funciones son desarrolladas gracias a sus caractersticas geomtricas y mecnicas, siendo la rigidez una de las propiedades mecnicas de mayor participacin en la definicin de su desempeo. En el presente trabajo se describe el desarrollo del diseo conceptual de un dispositivo prototipo para medir parmetros que permitan estimar los valores de la rigidez de las llantas neumticas utilizadas en vehculos ligeros y pesados. El diseo se basa en la simulacin de las condiciones normales de operacin de una llanta de este tipo, pudindose manipular las cargas que soporta la llanta as como su velocidad, giro direccional y desplazamiento lateral. Las caractersticas funcionales y de diseo del dispositivo o banco permiten que sus capacidades puedan ser extendidas a la determinacin de otros parmetros que intervienen en el desempeo mecnico de las llantas. Sin embargo, el diseo propuesto es susceptible de posibles mejoras, tanto de ndole mecnica como de funcionamiento y operacin, lo cual debe ser considerado en alternativas de diseos futuros.

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VII

Abstract

Tires are a main component of road vehicles. They support vehicles weight, provide damping, directional control and traction, among other roles. However, tires behavior depends of their geometrical and mechanical properties, mainly stiffness. The development of a test rig prototype conceptual design to determine light and heavy truck tires stiffness is described in this work. Prototype design is based upon the simulation of tires normal operational conditions, controlling tire supported load, apparent forward velocity, steering turn and lateral displacement. The resultant characteristics of the prototype conceptual design, allow its capacities be extended to the determination of other parameters involved in tires mechanical behavior. However, some improvements can be considered in future designs of this kind of devices.

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Resumen Ejecutivo

Uno de los principales componentes de los vehculos carreteros con gran influencia en su comportamiento dinmico, son las llantas. Este componente ha evolucionado a la par de los vehculos mismos, asociado inherentemente a los procesos de desarrollo de la movilidad, confort, manejabilidad, estabilidad y capacidad de carga, entre otros. Adems de actuar como elementos de interaccin directa entre el camino y el vehculo y de soportar el peso del mismo, las llantas neumticas proporcionan amortiguamiento, control direccional y traccin para producir y controlar el desplazamiento. Estas funciones son desarrolladas por las llantas gracias a sus propiedades geomtricas y mecnicas.

La llanta neumtica es un toroide fabricado de un material compuesto, con matriz slida elstica y reforzado con fibras, montado sobre una estructura anular rgida que, en conjunto, encierran un volumen presurizado de aire. Su rigidez es una de las propiedades mecnicas con mayor