Presentación TESIS Bogota v.1

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Diseño del asiento en fibra de carbono del vehículo Formula SAE-USB. Con un enfoque metodológico de ingeniería de diseño industrial Diseñador Industrial Juan Carlos Chávez C.

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La ausencia de parámetros de diseño para el asiento del F-SAE-USB y lapoca data sobre adecuación ergonómica para los pilotos de la USB, se planteaintervenir el interior de la cabina, específicamente el asiento del vehículo F-SAE,con un proyecto titulado: “Rediseño del asiento del vehículo Formula SAE USB2011”. El proyecto es desarrollado con una metodología general y ésta a su vezse divide en diferentes metodologías que permitieron alcanzar los objetivos. Seadopta como primer criterio para el proceso de diseño el análisis funcional, luegole sigue el ergonómico y después los tecnológicos y los formales. Se siguen todosestos criterios, conjugándose en base del primero.El desarrollo del proyecto fue estructurado y realizado en tres fases. Enla primera fase, se realizaron estudios e investigación pertinentes al problema.En la segunda fase, se realizó un análisis de la información recogida, todo elloimprescindible para abordar el rediseño del asiento del F-SAE. En la tercera fase-fase de síntesis- se utilizaron estos resultados para generar propuestas, paradesarrollar el prototipo y realizar sus respectivas validaciones.Palabras claves: Ingeniería de Diseño, Rediseño, Asiento, Funcional, Ergonomía,tecnológico.

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“Diseño del asiento en fibra de carbono del

vehículo Formula SAE-USB. Con un enfoque

metodológico de ingeniería de diseño

industrial”

Diseñador Industrial Juan Carlos Chávez C.

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Universidad Simón BolívarLaboratorio de Dinámica de

Maquinas

Caracas-Venezuela

Universidad de Los AndesFacultad de Arquitectura y Diseño

Escuela de Diseño Industrial

Mérida-Venezuela

PROYECTO EN CONJUNTO CON:

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Equipo Formula SAE de la Universidad Simón Bolívar

Michigan-USA

2010

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Reseña del autor

En el año 2004 ingresa en la Escuela de Diseño Industrial de la FAD de la

Universidad de Los Andes en la ciudad de Mérida, donde realiza dichos estudios.

Durante su formación como futuro profesional del diseño, cursando el tercer año de

la carrera de Diseño Industrial comienza a gestionar proyectos de diseño a las empresas

privadas y al gobierno, en ese mismo tiempo crea la compañía HOLUS, siendo esta una

empresa dedicada al diseño industrial y pequeña fabricación de productos, con apoyo de

varios colegas afines a la carrera.

A finales del 2008 realiza una pasantía de investigación en Barcelona-España. Con

el fin de aprender sobre tecnología automotriz, abriendo su conocimientos al mundo del diseño

sustentable en vehículos ecológicos.

A mediados del 2009 recibe una invitación por parte del Ing. Diseñador Automotriz

Fidias De la Fuente para visitar el complejo ITALDESIGN en Torino, Italia, esta visita marca

profundamente todos los aspectos de su vida.

Luego a su regreso a Venezuela, obtiene la aprobación del Equipo Formula SAE de

la Universidad Simón Bolívar para realizar su proyecto de grado. Convirtiéndose de esta

manera en pionero del diseño industrial en un equipo Formula SAE en Venezuela. Trabajo en

la división de chasis, en donde desarrollo su proyecto especial de grado para culminar su

carrera.

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Identificación de los asesores metodológicos (ULA)

Prof. Juan Cristóbal Chávez

PHD. Arq. Heberto Albornoz

Identificación del asesor de diseño (ITALIA)

PHD. Ing. Fidias Manuel De la Fuente

ASESORES

TUTOR

Dis. Ind. Leonardo Aranguren. ULA

Identificación del asesor fabricante

Técnico. Cristian De Jesús

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ÁREA TEMÁTICA

Técnico funcional y

diseño industrial aplicado al desarrollo de productos

automotrices.

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JUSTIFICACION

El asiento es un elemento fundamental para el desempeño de los pilotos,

es la parte del vehículo que puede permitir al piloto vincularse en forma óptimacon el espacio, con los otros elementos de la cabina y, con el vehículo como un

todo. Esa vinculación va más allá de lo funcional: incluye un aspecto sensorial de

comunicación con el vehículo. Esta comunicación sensorial es importante para

una buena conducción en este tipo de vehículo.

En consecuencia, la función del asiento no es, pues, simplemente el de

contener al piloto. Es la de ubicar al piloto en la cabina del vehículo, de tal forma

que esté en una relación de confort con los otros elementos de la cabina.

En resumen, para el equipo, para el vehículo y, especialmente para lospilotos, es importante que los aspectos funcionales, productivos, ergonómicos y

estéticos estén presentes en cada uno de los elementos del asiento. Desde luego,

este aporte fundamental lo puede proporcionar el Diseño Industrial.

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SITUACIÓN PROBLEMÁTICA

Se observa que el asiento no

es simétrico en el ancho de la

cintura y hombros

45°

se observa cómo la barbilla del casco del

piloto pega contra su pecho. Esto se debe

a una posición inadecuada del piloto

como consecuencia de la inclinación del

asiento.

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SITUACIÓN PROBLEMÁTICA

A consecuencia de la inclinación del asiento

la posición del piloto este tenga que estirar

los brazos hacia el volante, provocando

cansancio en la zona de los hombros

Actualmente este cinturón bordea

toda la zona inguinal del piloto (ver

línea roja) Según la normativa, el

cinturón inguinal debe de ir paralelo

al pecho del piloto (ver línea inclinada amarilla)

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SITUACIÓN PROBLEMÁTICA

Los puntos de anclajes no son los óptimos ya que sobresalen del asiento,

provocando lesiones corporales en los pilotos. Para solucionar este problema

se usan parches para evitar daños físicos

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SITUACIÓN PROBLEMÁTICA

A nivel técnico, los laterales del

asiento (por donde se introducen los

cinturones) han presentado

problemas de fatiga en el material.

Esto también se debe a la falta de medidas no ajustadas.

Por otra parte, el asiento no posee ningún

tipo de recubrimiento antifricción,

provocando el desplazamiento de los

pilotos en el asiento. A nivel formal, el

apoya cabeza no posee una correspondencia con el diseño del asiento

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SITUACIÓN PROBLEMÁTICA

El apoyacabeza posee una

estructura metálica el cual se puede

observar el uso exagerado de

materiales, en peso esto sería unos

400gr de material para fabricar la estructura solo del apoya cabezas.

La barra lateral de protección

golpea los hombros de los pilotos,

hasta el punto de incomodar la

conducción tanto en las prácticas

como en las competencias

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SOBRE EL FORMULA SAE

El vehículo formula SAE de la USB es producido por el Laboratorio de

Dinámica de Máquinas, el cual está adscrito al Laboratorio A de la Unidad de

Laboratorios, dependencia académica que agrupa a los Laboratorios de

la Universidad Simón Bolívar.

La Formula SAE es una competencia de diseño para estudiantes,

organizado por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) también

conocido como SAE International. El concurso se inicio en 1978.

El concepto detrás de la Fórmula SAE es que una compañía ficticiadonde se ha contratado un equipo de estudiantes de Ingeniería y diseño para

desarrollar un Formula de carreras. El prototipo del vehículo de carrera va a

ser evaluada por su potencial como un elemento de producción. El grupo de

marketing desarrolla estrategias de ventas y mercado, los piloto son los

mismos universitarios y las diferentes divisiones diseñan, desarrollan yproducen cada parte del vehículo. Cada uno de los diseños del equipo se

construye y prueba en un prototipo basado en una serie de normas, cuyo

propósito es garantizar tanto la seguridad en pista y la promoción de la

solución de problemas inteligentes.

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Inicio de la FORMULA S.A.E

Inicia en 1979 en la Universidad de Houston-USA

Miembros del equipo Formula SAE de la universidad simón bolívar

El Equipo F-SAE USB es una agrupación que está conformado por estudiantes de

diversas carreras. Su inicios data del 2001

Carreras involucradas Cantidad Universidad

Pre-grado

Ing. Mecánicos 16 USB

Ing. De materiales 2 USB

Ing. Electricistas 2 USB

Ing. Electrónicos 2 USB

Ing. Computación 3 USB

Ing. Producción 3 USB

Ing. Químicos 1 USB

Matemáticos 1 USB

Físicos 1 USB

Diseñadores Industriales

1 ULA

Post-grado

Ing. Mecánicos 2 USB

TOTAL MIEMBROS: 34

MARCO TEORICO

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Vehículos monoplazas

Los monoplazas son vehículos diseñados especialmente para

competición. Llevan alerones y neumáticos anchos para adherirse al piso lo más

posible, y las ruedas no están por lo general cubiertas. Son vehículos muy

bajos, pues rondan el metro de altura, y hay solamente lugar para una persona,

de ahí el nombre monoplaza. (Prototipo internacional 2009 del equipo FormulaSAE de la USB)

MARCO TEORICO

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Sobre el asiento (butaca) de un Formula SAE

El asiento cumple una función muy importante en todo el vehículo.

El asiento F-SAE tiene que ayudarle a percibir al piloto lo que el vehículo“siente” en una pista de competencias. un asiento formula tiene que transmitir

todas las sensaciones posibles al piloto con un mínimo de confort.

Si el piloto está perturbado por problemas físicos causados por el asiento, el

piloto no va a concentrarse y no va a poder rendir.

El problema ergonómico es necesario superarlo en el asiento porque

precisamente quien funge de piloto no es un profesional, y en estas carreras la

concentración es fundamental.

PHD. Diseñador de Autos. De la Fuente

MARCO TEORICO

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NORMAS FORMULA SAE 2010

La norma que rige el diseño del asiento se homologa en la B3.9.4, a partir de

estar norma se procede a establecer todos los parámetros del interior y de diseño

inexistentes en los asientos de la USB.

PARTE B - Requisitos técnicos

B3.9.4 Considerar el percentil 95

americano masculina para la

fabricación de las plantillas que

se usaran para la prueba de la

cabina.

B3.9.3 una vez sentado el piloto hay una

norma de restricción con respecto a la

separación del casco con el piso en caso

de vuelco.

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EN EL CONTEXTO Y ENTORNO

Las competencias de la F-SAE U.S.A se realizan en el circuito de

Michigan en su área central.

Circuito Michigan Int'l Speedway 2.0 Millas Interior de la cabina sin

el asiento del

FSAE-USB 2009

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Se realizaron entrevistas a los pilotos y fabricantes

Usuarios de primer orden

•Usuario Piloto

•Usuario fabricante y de ensamblaje

Usuario de segundo orden•Usuario de mantenimiento

•Usuarios de almacenamiento y traslado

•Usuario patrocinantes

CLASIFICACION DE USUARIOS PARA EL PROYECTO

Investigación del usuario por entrevistas

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Equipos industriales para el soporte del proyecto en Venezuela

Componente Formato Proveedor Costo Bs.F Descripción

Fibra de

carbono

1,50 x 45

mts.

Fibreglast

(USA)

6,190 P/R

Sin costo envió

Tejido configurado de

fibra de carbono

Resina

epóxica1 Litro EPA 40 Bs.F

Polímero termoestable

que se endurece

cuando se mezcla con

un agente catalizador

Equipo CNC de 5 ejes usado por

DEXTACA C.A para fabricar los moldes

SECTOR INDUSTRIAL Y TECNOLOGICO

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Descripción de los proceso de fabricación por preimpregnados

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ANALISIS Y CLASIFICACION DE LOS ELEMENTOS DEL ASIENTOS

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ANÁLISIS DEL ASIENTO ANÁLISIS DEL APOYACABEZAS

Principal

Main Hoop

Esqueleto de foamy en el respaldo y sentadera

Para permitir el momento de inercia

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ABERTURAS Y PASO DE LOS CINTURONES DE SEGURIDAD POR EL ASIENTO Y LUGAR DE LOS ANCLAJES

1. Cinturones superiores

2. Cinturones laterales

3. Cinturón inguinal

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PROCESO ANALÍTICO DE JERARQUÍA (Tomas de decisiones en la ingeniería de diseño)

Es una herramienta que permite la toma de decisiones de cualquier

índole. La toma de decisión como tal es un proceso de selección entre una

diversidad de acciones, para la cual se toma una serie de criterios que permiten

alcanzar los objetivos establecidos. La primera etapa consiste en la definición

del problema, la segunda etapa en identificación de las alternativas, la terceracon la determinación de los criterios, la cuarta para evaluar las alternativas y la

quinta elegir la opción adecuada.

Tablas de evaluaciones para comparar los criterios y especificaciones

seleccionados por orden de importancia. (Total tablas: 146)

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Resultados de la evaluación de acuerdo con el P.A.J

Árbol de criterios FUNCIONALES

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Resultados de la evaluación de acuerdo con el P.A.J

Árbol de criterios ERGONOMICOS

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Resultados de la evaluación de acuerdo con el P.A.J

Árbol de criterios TECNICOS-PRODUCTIVOS

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Resultados de la evaluación de acuerdo con el P.A.J

Árbol de criterios FORMALES

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Resultados de los antecedentes de acuerdo con el P.A.J

De acuerdo a la grafica se puede observar la deficiencia en los aspectos ergonómicos y funcionales de los asientos evaluados . Con la nueva propuesta se puede observar el alto nivel de solución del problema

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REQUERIMIENTOS DE DISEÑO

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CONCEPTO DE PRODUCTO

Para que las cualidades del producto se cumplan equilibradamente en el diseño se utilizara un instrumento evaluador, en este caso la triada o pirámide de Vitrubio adaptada y

jerarquizada de acuerdo a los criterios principales del diseño industrial.

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CONCEPTO DE DISEÑO

Instrumentos metodológicos utilizados para desarrollar el concepto del diseño

Para conocer los instrumentos metodológicos que se van aplicar y seleccionar setoma como guía el trabajo de ascenso del profesor Nelson Ramírez, de la Facultad deArquitectura ULA que se titula (EL CONCEPTO ARQUITECTÓNICO: Su naturaleza yenseñanza. 1987)

“Todo hecho […] debe resultar de una conceptualización inicial; la creación de unconcepto […] sin duda, representa la parte “artística por excelencia” de la planeación, elmomento donde coincide una gran síntesis de información, creatividad e intuicióninconmensurable, que sin embargo, necesita ser comunicado en términosmesurables”.

Nelson Ramírez Brandt

El concepto de diseño se utilizara una estrategia de diseño o composiciónpara resolver el problema, se analizaran varias estrategias de composición del objeto,ya que hay muchos elementos que estudiar a la vez, y se seleccionara el instrumentomás englobante que dé respuesta a las diferentes variables, respondiendoeficientemente en cada área.

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INSTRUMENTOS DEFINICIONES Y APLICACIONES

Sobre valoración intrínseca

Ocurre cuando la variable o componente sobrevalorado, destaca por sí mismo su

relevancia dentro del problema de diseño. (En el caso del proyecto FSAE: considerar

lo funcional como el componente sobre valorado sin tomar en consideración los

criterios ergonómicos, tecnológicos y formales)

Oportunidad de diseño

Una “Oportunidad de diseño”, puede definirse como: un hecho físico, natural o

construido en el contexto o entorno sobre el que se diseña el elemento, aprovechando

como “excusa” o “pretexto”, para concebir la totalidad del producto. (En el caso del

proyecto FSAE: tomar el espacio reducido de la Cabina como una oportunidad de

diseño).

Las analogías

Relación de semejanza entre cosas distintas. Partiendo de esta definición, una analogía

de diseño, seria, la relación de semejanza entre el hecho de diseño y un objeto, animal,

o acción, ajenos a este. Sin embargo, la “relación de semejanza”, es insuficiente; más

bien, al hablar de la analogía como fuente catalizadora, debemos definir como: La

relación cualitativa de coherencia asociativa, entre el problema de diseño, y el elemento

u objeto ajeno escogido. (Ejemplo: la carrocería se diseño con la analogía del tiburón,

la forma puntiaguda como el casco aerodinámico y las branquias como los conductos

de refrigeración, para el caso del asiento la relación analógica seria otra siempre que la

relación cualitativa cumpla con todos los criterios).

Aceptación tipológica

Si partimos de la definición de “tipo” como: “una categoría abstracta, en tanto que

sintetiza todas las características comunes de los modelos” (Edwards. B, s/f), podemos

hablar de una aceptación tipológica como fuente catalizadora, solo en tanto el

diseñador lleve a cabo de manera consciente, un estudio previo de modelos, cuyo TIPO

(categoría abstracta), se convierta en una aparente garantía del resultado de diseño

deseado. En este momento, las expresiones “Tipo” y “Concepto de diseño”, coinciden,

se hacen sinónimos, ya que ambos, siendo abstractos, expresan la esencia “Idea

básica”, holística y sintética del problema.

Tabla de los instrumentos

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CONCEPTO DE DISEÑO

Aceptación tipológica

La aceptación tipológica es el instrumento utilizado para desarrollar el concepto de diseño

(La sumatoria de las cualidades ideales de los criterios). De esta forma sintetizamos todas las

características comunes de los criterios ya antes investigados en orden de jerarquía Funcional,

Ergonómico, Tecnológicos-Productivos y Formales.

Síntesis del concepto de diseño

Luego de analizar y proporcionar las respuestas con los principios que más optimiza, se sintetiza

en un ideal el concepto del diseño, y se define como una:

“Hemicápsula estructural de confort y seguridad para pilotos del vehículo Formula SAE”

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PROPUESTA CONCEPTUAL FINAL

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Se aplico sobre el asiento una fuerza equivalente a 150 kg (1500N) fuerza

máxima a la que estaría sometido el asiento cuando el auto esta en movimiento.

Conclusión

Como muestra la imagen (Deformación máxima) la parte inferior del asiento

(sentadera) es donde se encuentra la mayor concentración de esfuerzos debido a

fallas de diseño,

ANALISIS BASE DE LA SENTADERA

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PROPUESTA PARA BASE ANCLAJE

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MEMORIA DESCRIPTIVA DE LA PROPUESTA

•Sentadera

•Lateral sentadera

•Lateral respaldo

•Respaldo

•Apoyacabeza

Sentadera: está conformado de tal

manera que posea lectura de seguridad y

confort al piloto, se establece una jerarquía

entre las demás zonas, la relación formal

permite unirse con el resto de todos loselementos. A su vez posee una abertura

para el paso del cinturón inguinal.

Consideraciones Formales

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Laterales: Estas proporcionan un cierre en

forma de capsula donde delimitan las zonas

de apoyo y contacto con el cuerpo del

piloto, de esta forma los indicadores

comunicacionales ofrecen continuidad yseguridad en todo el elemento. A su vez en

las solapas inferiores posee unas aberturas

para el paso del cinturón.

Respaldo: posee una lectura de apoyo yseguridad al piloto, a nivel de la jerarquía

la forma posee un indicador de uso para el

piloto. Este en la parte superior posee

aberturas para el paso del cinturón.

NOTA: Sobre los rellenos en la zona de la

espalda leer consideraciones ergonómicas.

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Apoyacabeza: Esta ubicado en la parte

superior del asiento formado un solo

elemento, su forma cóncava indica el apoyo

del casco del piloto.

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Consideraciones Ergonómicas

Respaldo: Para este caso se incorporaron

elevar los niveles de adherencia y de

confort en todas las zonas de contacto del

cuerpo del piloto. Para esto el piloto

necesita apoyar la espalda totalmente enel asiento, de esta forma sigue la curva

natural de esta por medio de un relleno de

poliuretano en la zona lumbar, laterales

y hombros, de tal forma se evitan

tensiones por los niveles de vibración,gravedad y aceleraciones continuas.

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Posee una inclinación de 30°

sobre la vertical permitiendo

que se distribuyan las fuerzas

en todo el cuerpo del piloto

De esta forma se logra que la

distancia y ángulos hasta el

volante y los pedales sean las

más adecuadas, tomando en

cuenta el percentil 95°americano masculino.

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Sentadera: el grado de inclinación es de

25° sobre la horizontal para reducir el

deslizamiento hacia bajo de la sentadera

por desaceleración, las solapas laterales le

permite mantener encapsulado al piloto encurvas permaneciendo en todo momento

el cuerpo dentro del asiento.

Abertura pasó cinturones: Ubicadas en

los costados del asiento repartido

estratégicamente en 5 puntos permitiendo

el libre paso de los cinturones de seguridad

para sujetar al máximo el piloto al asiento.

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Consideraciones tecnológico-productivas

Se utilizo para la fabricación del asiento en su totalidad la fibra de

carbono, debido a sus propiedades, entre las cuales se encuentra: alta

resistencia a los esfuerzo y bajo peso.

El asiento cuenta con un núcleo de foamy (EVA) desde la cabecera bajando

por la espalda-hombros hasta la sentadera, con esto se pretende simular los

paneles sándwich, facilitando el momento de inercia.

Page 51: Presentación TESIS Bogota v.1

Análisis estático del asiento

Se aplico sobre el asiento una fuerza equivalente a 160 kg (1600N)* fuerza

máxima aproximada a la que estaría sometido el asiento cuando el auto esta

en movimiento. Obteniendo así un coeficiente de seguridad de 5.96. Esto

quiere decir, que el asiento soportaría 5.96 veces el peso para el que fue

diseñado (160 kg x5.96) 953 kg

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Análisis dinámico del asiento

Se aplico sobre el asiento una

fuerza equivalente a 160 kg

(1600N) entre 0-200 veces

simulando el esfuerzo al que

estaría sometido el asientocuando el auto esta en

movimiento

Como muestra la imagen del análisis en los laterales tanto inferiores como

superiores es donde se observa la mayor concentración de esfuerzos debido

a que estas cumplen la función de mantener al piloto dentro del asiento,

absorbiendo la mayoría de los esfuerzos (virajes y aceleraciones)

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VALIDACIONES ERGONÓMICAS

Análisis de las plantillas de

seguridad de acuerdo a la norma

F-SAE B3.9.5 con la propuesta

del asiento a 30° grado sobre la

vertical

El cuerpo del piloto reposado sobre

un espaldar a 30° sobre la vertical

líneas color naranja (Figura 32).

Esta inclinación le permite que se

distribuyan las fuerzas en todo el cuerpo del piloto, disminuyendo

significantemente la fatiga y el

cansancio.

Page 54: Presentación TESIS Bogota v.1

VALIDACIONES ERGONÓMICAS Para un correcto ajuste y funcionamientodel cinturón lateral se direcciona con unainclinación de 25° sobre la vertical endirección de las piernas del piloto, deesta manera, se busca llegar al vientre delpiloto, ya que es una de las Normas de laF-SAE, considerando el percentil 95americano del piloto. Considerándoseuna distancia del anclaje del cinturón alPrincipal Main Hoop de 650mm

Se puede observar las dimensiones del (Percy) de acuerdo a las medidas del percentil 95 americano dentro del cabina –contorno rojo- del F-SAE de la USB ninguna parte del cuerpo está en contacto con la carrocería, sino más bien este se encuentra encapsulado en el asiento.

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PLANOS GENERAL tomado del 1/6

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PRESENTACION DEL PRODUCTO

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FABRICACION DEL MODELO CONCEPTUAL FUNCIONAL

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FABRICACION MODELO CONCEPTUAL FUNCIONAL

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GRACIAS

Mención honorifica publicación con aporte especial en metodología de diseño