UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA...

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS SISTEMAS DE

BASTIDOR Y CARROCERÍA PARA UN PROTOTIPO DE GO

KART CON BASE AL REGLAMENTO DE LA FIA

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

FRANCISCO JAVIER CODENA SIMBAÑA

DIRECTOR: ING. ALEX GUZMÁN

Quito, junio 2016

© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016

Reservados todos los derechos de reproducción

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 172089349-2

APELLIDOS Y NOMBRES: Codena Simbaña Francisco Javier

DIRECCIÓN: 17 de Marzo y Gangotena

EMAIL: [email protected]

TELÉFONO FIJO: 022330-848

TELÉFONO MOVIL: 0995824036

DATOS DE LA OBRA

TITULO: “Diseño y construcción de los sistemas de

bastidor y carrocería para un prototipo de go

kart con base al reglamento de la FIA”

AUTOR O AUTORES: Codena Simbaña Francisco Javier

FECHA DE ENTREGA DEL

PROYECTO DE TITULACIÓN:

03 junio de 2016

DIRECTOR DEL PROYECTO DE

TITULACIÓN:

Ing. Alex Guzmán

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz

RESUMEN: Mínimo 250

palabras

El estudio del presente trabajo consiste en

realizar la estructura o chasis para un

prototipo de go kart, el cual pueda llegar a

homologarse y competir en la categoría

KS2, clasificada por la FIA, para esto se

realizó un trabajo de investigación y análisis

en el cual se determina las cargas que

afectan directamente a la estructura y de

X

esta manera seleccionar el material más

idóneo de acuerdo con sus propiedades,

para esto se utilizó el software SolidWorks

que nos permite hacer análisis estructural

determinando esfuerzos y posibles puntos

de falla en la estructura para lo cual el factor

de seguridad determinara la resistencia del

chasis.

También se hizo un análisis aerodinámico

que determina la resistencia del aire al

movimiento del go kart y de esta manera

determinamos que la potencia del motor

aplicado conjuntamente al chasis tiene la

potencia para vencer esta carga así como

las cargas fijas y variables que se presentan

un las maniobras del piloto.

En lo que respecta a procedimientos de

fabricación se analizó los procesos que

presenten un menor costo y de mayor

utilización, además de un listado de

procedimientos a seguir para obtener un

trabajo de calidad y eficiencia con

materiales que se encuentran en el

mercado.

Por ultimo con las pruebas de campo se

determinaron varios aspectos a tomarse en

cuenta para futuras investigaciones que

permitirán mejorar el presente proyecto

dándole una amplia aplicación en el área de

ingeniería y en el sector automotriz del país

y ayudar al desarrollo del mismo

PALABRAS CLAVES: Chasis

Esfuerzos

Fuerzas actuantes

ABSTRACT:

The study of this work is to make the

structure or chassis for a prototype go kart,

which can reach homologated and compete

in the KZ2 class, classified by the FIA, for

this research work and analysis was

conducted in which loads directly affect the

structure is determined and thus select the

most suitable materials according to their

properties, so that the SolidWorks software

allows us to do structural analysis by

DEDICATORIA

Dedico con mucho cariño este trabajo a mi madre Verónica y a mi abuelita

Francisca que son un ejemplo de superación, a mi hermana Anita que es la

persona por quien me esfuerzo cada día de mi vida para lograr todo y

demostrar que con dedicación y esfuerzo todo se consigue.

A mi familia en general, los mismos que estuvieron apoyando en los

momentos buenos y malos.

A mis compañeros que pasamos buenos momentos, compartimos

experiencias y nos apoyamos en el transcurso de nuestros estudios en la

universidad.

Francisco Codena

AGRADECIMIENTO

Agradezco a Dios sobre todas las cosas, por dotarme de salud y bienestar

para culminar mi carrera universitaria sin contratiempos, a mi madre por su

sacrificio y apoyo que permitieron que pudiese estudiar la carrera que más

fascina y apasiona, a todas las personas que de una manera u otra aportaron

un granito de arena para este logro.

Francisco Codena

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN.. ................................................................................................... 1

ABSTRACT. .................................................................................................. 3

1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 5

2. MARCO TEÓRICO .................................................................................... 7

2.1. CONCEPTOS GENERALES ............................................................... 7

2.1.1. CONCEPTO Y RESEÑA HISTÓRICA DEL KARTING ................. 7

2.1.2. CIK-FIA ......................................................................................... 8

2.1.3. CONCEPTO DE GO KART .......................................................... 9

2.2. SISTEMAS CONSTITUTIVOS DE UN GO KART ............................. 10

2.2.1. SISTEMA DE DIRECCIÓN ......................................................... 10

2.2.2. POTENCIACIÓN......................................................................... 10

2.2.3. SISTEMA DE TRANSMISIÓN .................................................... 14

2.2.4. AROS Y NEUMÁTICOS ............................................................. 16

2.3. PRINCIPALES ELEMENTOS DEL CHASIS DE UN GO KART ........ 17

2.3.1. CUADRO CHASIS ...................................................................... 18

2.3.2. SOPORTES ................................................................................ 19

2.3.3. BANDEJA O PISO ...................................................................... 20

2.4. ELEMENTOS DE LA CARROCERIA DEL GO KART ....................... 21

2.4.1. BARRAS ..................................................................................... 21

2.4.2. PONTONES O GUARDACHOQUES.......................................... 23

ii

2.4.3. ASIENTO .................................................................................... 24

2.5. MATERIALES PARA ESTRUCTURAS DE VEHÍCULOS .................. 25

2.5.1. MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCIÓN

DE BASTIDORES ................................................................................. 25

2.5.2. ESPECIFICACIONES DE MATERIALES POR LA FIA ............... 26

2.5.3. PROPIEDADES MECÁNICAS DE MATERIALES ...................... 27

2.6. ACEROS ........................................................................................... 28

2.6.1. ACEROS AL CARBONO ............................................................ 28

2.6.2. ACEROS ALEADOS ................................................................... 28

2.6.3. ACEROS DE BAJA ALEACIÓN .................................................. 29

2.6.4. VENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL ................................ 29

2.6.5. DESVENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL ......................... 29

2.7. FUNDAMENTOS TEÓRICOS PARA EL DISEÑO DEL CHASIS

DE GO KART ........................................................................................... 30

2.7.1. PESOS ....................................................................................... 30

2.7.2. FUERZA DE EMPUJE ................................................................ 30

2.7.3. TORQUE REQUERIDO .............................................................. 31

2.7.4. ACELERACIÓN .......................................................................... 31

2.7.5. ACELERACIÓN NORMAL .......................................................... 31

2.7.6. TENSIÓN DE VON MISES ......................................................... 32

2.7.7. TENSIONES PRINCIPALES ...................................................... 33

2.7.8. FACTOR DE SEGURIDAD ......................................................... 33

2.7.9. LÍMITE DE FLUENCIA ................................................................ 34

2.7.10. RESISTENCIA AERODINÁMICA ............................................. 35

2.7.11. RESISTENCIA FRONTAL DEL AIRE ....................................... 36

iii

3. METODOLOGÍA ...................................................................................... 37

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................ 47

4.1. PARAMETROS DE DISEÑO DE LOS

COMPONENTES ESTRUCTURALES DEL GO KART ............................ 47

4.2. DETERMINACIÓN DE CARGAS ...................................................... 49

4.2.1. PESOS ....................................................................................... 50

4.2.2. FUERZA DE EMPUJE ................................................................ 51

4.2.3. TORQUE REQUERIDO .............................................................. 51

4.3. CARGAS GENERADAS EN CONDICIONES

EXTREMAS (ACELERACIÓN-FRENADA) .............................................. 51

4.3.1. ACELERACIÓN .......................................................................... 52

4.3.2. FUERZAS DE INERCIA DEL PILOTO ........................................ 53

4.3.3. FUERZAS DE INERCIA DEL MOTOR ....................................... 53

4.4. FUERZAS PRODUCIDAS EN CURVA A MÁXIMA VELOCIDAD ..... 53

4.4.1. FUERZAS DE INERCIA DEL PILOTO EN CURVA .................... 54

4.4.2. FUERZAS DE INERCIA DEL MOTOR EN CURVA .................... 54

4.5. SELECCIÓN DE MATERIALES ........................................................ 55

4.6. MODELADO DEL CHASIS DEL GO KART ....................................... 57

4.7. DISEÑO DEL CHASIS TUBULAR ..................................................... 57

4.8. DISEÑO DEL CHASIS EN CALERACION Y FRENADA BRUSCA

EN EL SOFTWARE SOLIDWORKS ........................................................ 58

4.8.1. ASIGNACIÓN DE CARGAS ....................................................... 58

4.8.2. ESFUERZO VON MISES ........................................................... 59


iv

4.8.4. DESPLAZAMIENTOS Resultantes ............................................. 60

4.8.5. DEFORMACIÓN UNITARIA AQUIVALENTE ............................. 61

4.9. DISEÑO DEL CHASIS CON VELOCIDAD MÁXIMA EN CURVA ..... 62

4.9.1. ASIGANCIÓN DE CARGAS ....................................................... 62

4.9.2. ESFUERZO VON MISES ........................................................... 63

4.9.3. DESPLAZAMIENTOS RESULTANTES ...................................... 63


4.10. ANÁLISIS AERODINÁMICO DEL GO KART .................................. 65

4.10.1. RESISTENCIA DEL AIRE ......................................................... 65

4.11. PRUEBAS DE CAMPO ................................................................... 66

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................... 68

5.1. CONCLUSIONES .............................................................................. 68

5.2. RECOMENDACIONES ..................................................................... 69

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 70

ANEXOS….. ................................................................................................ 72

v

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Primer diseño de go kart ............................................................... 7

Figura 2. Go-kart en pista ............................................................................ 9

Figura 3. Esquema de elementos de dirección .......................................... 10

Figura 4. Primer ciclo de funcionamiento del motor ................................... 11

Figura 5. Segundo ciclo de funcionamiento del motor ............................... 12

Figura 6. Motor marca Rotax modelo 125 MAX EVO ................................. 13

Figura 7. Pedal del acelerador ................................................................... 13

Figura 8. Pedal de freno ............................................................................. 14

Figura 9. Eje posterior o de Transmisión ................................................... 15

Figura 10. Piñón de Transmisión del Go Kart ............................................ 15

Figura 11. Cadena de Transmisión ............................................................ 16

Figura 12. Rin de 5 Pulgadas para Go Kart ............................................... 17

Figura 13. Tipos de Neumáticos Para Go Kart........................................... 17

Figura 14. Chasis y eje posterior diseñados en SolidWorks ...................... 18

Figura 15. Chasis cuadro de go kart .......................................................... 19

Figura 16. Soporte del eje en el chasis ...................................................... 20

Figura 17. Bandeja o piso del go kart ......................................................... 21

Figura 18. Barra o soporte de guardachoque frontal .................................. 21

Figura 19. Barra o soporte de guardachoque posterior .............................. 22

Figura 20. Barras o soportes de guardachoques laterales ......................... 22

Figura 21. Barra de torsión ........................................................................ 23

Figura 22. Pontones o guardachoques de go kart ..................................... 23

Figura 23. Asiento de go kart ..................................................................... 24

Figura 24. Textura acero ............................................................................ 28

Figura 25. Resistencia aerodinámica ......................................................... 35

Figura 26. Plano de componentes principales del go kart .......................... 40

Figura 27. Dimensiones del chasis para go kart categoría KZ2 ................. 40

Figura 28. Perfil tubular aserrado y listo para soldar .................................. 41

Figura 29. Doblado de perfiles tubulares ................................................... 41

vi

Figura 30. Soldadura de chasis .................................................................. 42

Figura 31. Chasis cuadro soldado .............................................................. 42

Figura 32. Circuito básico de suelda por arco eléctrico .............................. 43

Figura 33. Dimensiones del soporte de mangueta ..................................... 44

Figura 34. Soportes del eje posterior ......................................................... 44

Figura 35. Proceso de pintura para el chasis ............................................. 45

Figura 36. Ubicación del protector de la dirección ..................................... 45

Figura 37. Ubicación guardachoque lateral ................................................ 46

Figura 38. Ubicación del asiento del piloto ................................................. 46

Figura 39. Chasis cuadro y guardachoques (Pontones) ............................ 47

Figura 40. Propiedades mecánicas (Dureza vs Temp. Revenido) ............. 56

Figura 41. Propiedades mecánicas ............................................................ 56

Figura 42. Chasis modelado en SolidWorks .............................................. 57

Figura 43. Captura de aplicación de cargas SolidWorks ............................ 59

Figura 44. Captura de esfuerzo de Von Mises en SolidWorks ................... 59

Figura 45. Captura de desplazamientos del chasis en SolidWorks ........... 60

Figura 46. Captura de deformación unitaria ............................................... 61

Figura 47. Captura de aplicación de cargas en SolidWorks ....................... 62

Figura 48. Captura de esfuerzo de Von Mises en SolidWorks ................... 63

Figura 49. Desplazamientos del chasis en curva con velocidad máxima. .. 64

Figura 50. Vista frontal de go kart .............................................................. 65

Figura 51. Vista lateral de go kart .............................................................. 66

vii

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Tipos de aceros estructurales y sus propiedades .......................... 26

Tabla 2. Propiedades mecánicas del acero AISI 4130 ................................ 35

Tabla 3. Densidad del aire en función de la altura ....................................... 36

Tabla 4. Categorías de Karting .................................................................... 37

Tabla 5. Especificaciones técnicas categoría KZ2 ...................................... 48

Tabla 6. Propiedades Físicas del Acero AISI 4130 ..................................... 55

viii

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

ANEXO 1. Reglamento técnico de karting .................................................. 72

ANEXO 2. Vista aérea de la pista go kart en el valle de los chillos ............. 86

ANEXO 3. Planos y dimensiones del chasis ............................................... 87

1

RESUMEN

El proyecto de titulación hizo énfasis en el diseño y la construcción del chasis

para un go Kart de acuerdo a las normas implantadas y reguladas por la

Comisión Internacional de Karting (CIK) y la Asociación Internacional de

Automovilismo (FIA) en requerimientos técnicos, para lo cual se hizo un

análisis enfocado en las características de los materiales utilizados para la

construcción de bastidores, posteriormente se realizaron planos con

dimensiones establecidas acorde a la categoría KZ2 de la CIK y se hizo uso

de un software que nos permitió realizar simulaciones de esfuerzos y cargas

en el chasis.

Para la simulación fue necesario aplicar varios fundamentos matemáticos con

lo cual se identificaron las cargas y esfuerzos que actúan directamente sobre

el chasis y de esta manera tener un panorama claro para la selección del

material utilizado, siendo el AISE 4130 el que más se apega a los

requerimientos en cuanto a elasticidad, tenacidad y soldabilidad refiere.

En cuanto a los resultados obtenidos posteriormente al análisis en el software

SolidWorks se determinó la tensión de esfuerzos de Von Mises teniendo un

esfuerzo máximo de 307.1 MPa (Mega Pascales) y el material utilizado cuenta

con un límite de fluencia que varía desde 480 a 590 MPa con lo cual se

determinó que el chasis no podrá fallar por fatiga.

Para el diseño de cualquier estructura es indispensable el cálculo del factor

de seguridad, el cual se calculó empleando los valores obtenidos del análisis

del software y se tuvo un valor de 1.563 lo que al interpretarlo determino que

la estructura no presentara falla por fatiga.

En cuanto a las cargas que se generan en curva fueron calculadas empleando

la masa de un piloto promedio de 75 kilogramos el cual entrega una inercia de

900 N (Newtons) al realizar un curva, lo mismo que ocurre con el motor que

proporciona 225 Newtons en las mismas condiciones, para todo esto se

calculó los esfuerzos y el factor de seguridad teniendo resultados favorables

por sobre el valor de 1, que indica seguridad de la estructura.

2

Para culminar con el desarrollo del diseño se analizó la resistencia frontal del

aire obteniendo un valor de 261.52 Newtons lo cual restringirá de manera poco

considerable el movimiento del go kart.

Para el proceso de fabricación una vez seleccionado el material, los

procedimientos fueron el doblado de los perfiles y posteriormente la soldadura

de los mismos, para lo cual se utilizó el proceso GMAW logrando un acabo de

calidad y estética, que fue complementado con un proceso de pintura lo cual

otorgo una protección a la estructura de agentes ambientales que la pudieran

deteriorar.

Como parte final de este proyecto se indicaron todas las conclusiones y

recomendaciones que se obtienen con la realización del proyecto y que deben

tomarse en cuenta para un posterior estudio y análisis.

De esta manera ya culminado el proyecto se desarrolló de tal manera que

permita realizar un aporte académico en futuros estudios para la evolución del

deporte del Karting teniendo siempre en cuanta las entidades que lo rigen.

3

ABSTRACT

The degree project made emphasis on the design and construction of the

chassis for a go Kart according to the standards established and regulated by

the Commission International of Karting (CIK) and the International

Association of automobile (FIA) on technical requirements, which became an

analysis focused on the characteristics of the materials used for the

construction of frames subsequently plans were established according to the

CIK KZ2 category and use of software that allowed us performs simulations of

efforts and loads in the chassis.

For the simulation, it was necessary to apply several mathematical foundations

which loads were identified and efforts that act directly on the chassis, and

thus have a picture clear for the selection of the material used, being the AISE

4130 which is more keeping with requirements in terms of elasticity, toughness

and weldability.

In regards the results subsequently to the analysis in the software SolidWorks

determined efforts of Von Mises stress having a maximum effort of 307.1 MPa

(Mega Pascals) and the material used has a yield strength ranging from 480

to 590 MPa with which it was determined that the chassis can not fail due to

fatigue.

To the design of any structure is essential to the calculation of factor of safety,

which was calculated using the values obtained from the analysis of the

software and had a value of 1,563 what to interpret it determined the structure

not present failure by fatigue.

As for the loads generated in curve were calculated using the mass of a pilot

average of 75 kg which gives an inertia of 900 N (Newton) to make a curve,

the same thinghappens with the engine providing 225 Newtons under the

same conditions, for all this was calculated efforts and the safety factor having

favorable results above the value of 1 indicating security structure.

To culminate with the development of the design was analyzed the frontal air

resistance getting a value of 261.52 Newtons which will restrict the movement

of the go kart little considerably.

4

For the process of manufacturing once selected material, the proceedings

were bending of profiles and subsequently welding them, for which we used

the GMAW process achieving a finish of quality and aesthetics, which was

supplemented with a paint process, which gave protection to the structure of

environmental agents that could damage it.

As part of this project are indicated all the conclusions and recommendations

that are obtained with the completion of the project and to be taken into

account for a further study and analysis.

Thus already completed project was developed in such way that allows to

make academic contribution to future studies for the evolution of the sport of

Karting taking always into account institutions that govern it.

INTRODUCCIÓN

5

1. INTRODUCCIÓN

Durante algunos años el mundo viene presenciando un constante desarrollo

tecnológico en diversas áreas y profesiones, una de estas es el sector

Automotriz, el mismo presenta un gran avance de la tecnología y su desarrollo

se lo refleja en vehículos de competencia de distintas categorías.

El karting siendo una de las categorías del automovilismo también presenta

avances en cuanto a tecnología se refiere y esto ha provocando que en

nuestro país se inicie una interacción cada vez mayor con ésta categoría y

dichos avances tecnológicos.

En el Ecuador al no existir un progreso industrial para el manejo de los

avances de tecnologías, llegamos a ser consumidores de productos

importados, generando de ésta manera la fuga de capital de nuestro país,

pero por qué no comenzar a contar con nuestro propia mejora tecnológica en

materia automotriz que otorgue los mismos privilegios y el mismo nivel de

avance de otros países; en vista de esto es necesario fomentar la cultura de

investigación en este campo y empezar la base en el crecimiento e

investigación de la estructura tanto del chasis y la carrocería para un prototipo

de go kart como etapa inicial del progreso en vehículos de competencia para

la categoría de karting dentro del país que genere un aporte al cambio

industrial en el Ecuador.

Para el presente trabajo de titulación se planteó como objetivo general:

Diseñar y construir los sistemas bastidor y carrocería para un prototipo de go

kart con base al reglamento de la FIA, que permita alcanzar una investigación

dedicada al análisis de estructuras vehiculares.

Para cumplir con este propósito se plantean los siguientes objetivos

específicos:

Analizar y reconocer las características que detalla la Federación

Internacional de Automovilismo a cerca de go kart.

6

Diseñar la estructura del go kart utilizando especificación normadas para

soportar cargas y esfuerzos.

Analizar los diversos materiales y seleccionar las alternativas más idóneas

para la construcción de la carrocería para el prototipo de go-kart.

MARCO TEÓRICO

7

2. MARCO TEÓRICO

2.1. CONCEPTOS GENERALES

2.1.1. CONCEPTO Y RESEÑA HISTÓRICA DEL KARTING

El karting es definido como el deporte automovilístico en donde se forman los

pilotos de competición, el cual debido a su alto desempeño competitivo se rige

bajo las normas de la Comisión Internacional de Karting y es regularizado por

la Federación Internacional de Automovilismo (CIK-FIA).

Concebido en el mes de Marzo del año de 1956 en una base aérea del estado

de California, Estados Unidos.

Los soldados asignados a dicha base en un fin de semana de descanso y con

aburrimiento extremo, tomaron la decisión de fabricar algo que les permitiera

aprovechar las pistas de aviación que se encontraban inutilizadas.

Ya con la iniciativa lo siguiente se volvió algo muy sencillo, bastaron unos

cuantos tubos de calefacción, una soldadora, unos neumáticos de las colas

de los aeroplanos, el motor de una podadora y un volante de una avión que

se encontraba en desuso para hacer un Go-Kart y de esta manera se daba

inicio al Karting, con unos elementos muy rudimentarios que no permitían

sobrepasar los 50Km/h.

Figura 1. Primer diseño de go kart

8

El primero Kart fue fabricado en Agosto de 1956 por Arte Ingels en el estado

de California en Estados Unidos, este vehículo estaba potenciado por un

motor de podadora de una compañía llamada West Bend Company, luego de

muy poco tiempo el Karting iba ganando solides como deporte y empezaron

las primeras competencias cerriles y poco a poco los karts superaban los 50

Km/h.

El karting creció de una manera abrumadora de tal manera que 3 años

después de su concepción ya existían 300 marcas diferentes que

manufacturaban éste vehículo, y por consecuencia el Karting se convertía en

una disciplina automovilística de una manera fulgurante y ganaba miles de

participantes.

Para los años 60´s éste deporte se introduce a Europa por medio de Francia

e Inglaterra y se creaban numerosas federaciones por todo el mundo y es allí

cuando interviene la FIA y toma la decisión de crear la Comisión Internacional

de Karting (CIK) para controlar el proceso federativo.

2.1.2. CIK-FIA

La Comisión Internacional de Karting (CIK) es una comisión deportiva que

forman parte de la FIA, su objetivo es el de desarrollar, promover, coordinar y

regular las actividades relacionadas con el Karting alrededor de mundo,

respetando los principios promulgados por la Federación Internacional del

Automóvil (FIA) siendo sus objetivos principales:.

Garantizar la unidad de las actividades de Karting y la salvaguarda de los

intereses, tanto material como moral, de Karting en todos los países;

Promover el desarrollo de la práctica del deporte Karting en el mundo

respetando al mismo tiempo la seguridad y el medio ambiente, y promover

la aplicación de regulaciones internacionales para la organización y

funcionamiento de los eventos de Karting y la práctica del mismo;

9

Elaborar, armonizar y hacer cumplir cualquiera de los reglamentos

técnicos en lo que respecta al Karting, respetando el Código Deportivo

Internacional de la FIA y sus anexos;

La elaboración de un calendario internacional de eventos y reuniones

internacionales para el karting;

La creación de reglas para cualquier equipo y material utilizado en la

práctica del deporte Karting, así como los lugares utilizados para la

práctica de Karting.

2.1.3. CONCEPTO DE GO KART

Se denomina go-kart a un automóvil pequeño monoplaza que cuanta con un

motor, con o sin elementos de carrocería, sin suspensión y con cuatro ruedas

no alineada que se mantienen en contacto con el suelo. Sus ruedas delanteras

ejercen el trabajo de maniobrabilidad con el control de la dirección y las

posteriores van conectadas a un elemento que permita la transmisión de

potencia desde el motor, el cual por lo general es mono-cilíndrico y su

cilindrada varía dependiendo la categoría en la cual se vaya a participar.

Entre los elementos que lo conforman tenemos el chasis, la carrocería, los

neumáticos y el motor.

Figura 2. Go-kart en pista

10

2.2. SISTEMAS CONSTITUTIVOS DE UN GO KART

2.2.1. SISTEMA DE DIRECCIÓN

Este sistema está formado por un conjunto de elementos que permiten al kart

trazar la trayectoria fijada por el conductor. Comprendido por el volante, barra

de dirección, bieletas de dirección, manguetas y rótulas correspondiente,

elementos que permiten modificar la trayectoria del go kart por medio del

volante él cual con su giro modifica la posición de las ruedas delanteras del

vehículo.

Figura 3. Esquema de elementos de dirección

(Burzi, 2005)

2.2.2. POTENCIACIÓN

2.2.2.1. MOTOR

Es la parte esencial en la potenciación del go kart, debido a que es la máquina

térmica que brinda la propulsión al vehículo a través de la transformación de

11

energía química en energía mecánica en forma de giro, la cual es transmitida

al eje posterior del vehículo para producir su desplazamiento.

El motor (2 tiempos) es un conjunto conformado por un cilindro el cual en su

parte interior aloja un cilindro en el cual trabaja un pistón, cuenta con un cárter

el cual es una caja de aluminio encajada en la parte inferior del motor.

El pistón está articulado mediante un bulón a la biela, la cual es la pieza que

transmite el movimiento al cigüeñal. El cigüeñal es el elemento oscilatorio del

pistón por medio de la biela y lo transforma en movimiento circular, está

dotado de contrapesos que permiten superar los puntos muertos tanto

superior como inferior (PMS y PMI) de la carrera.

El motor de 2 tiempo realiza en dos carreras del pistón lo que el motor de 4

tiempo lo realiza en cuatro carreras.

Figura 4. Primer ciclo de funcionamiento del motor

(Ingemecanica, 2016)

En la figura 4 se muestra que el pistón está realizando un recorrido hacia el

PMS comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Al mismo tiempo, el

movimiento ascendente del pistón genera una depresión o vacío en el cárter,

y al continuar el movimiento se descubre la lumbrera de admisión conectada

al carburador y en ese momento ingresa al cárter una carga de la mezcla de

combustible impulsada por la diferencia de presión existente en el exterior del

motor. Al mismo tiempo que el pistón se acerca al PMS, éste cierra tanto la

lumbrera de escape y la de admisión situada entre el cárter y en ese momento

la chispa enciendo la mezcla de aire-combustible comprimida.

12

En la figura 5, los gases se expande debido a la combustión de la mezcla, y

estos impulsan de una manera brusca al pistón hacia abajo en el ciclo de

trabajo. A medida que el pistón sigue su recorrido descendente, cierra el paso

de la lumbrera de entrada que conecta al carburador y comprime la mezcla

combustible en el cárter, provocando de esta manera su aumento de presión.

Continuando el descenso el pistón descubre la lumbrera de salida y los gases

de la combustión salen de la cámara de combustión. Cuando el pistón se

acerca al PMI se descubre la lumbrera de admisión y la mezcla combustible a

presión en el cárter irrumpe a alta presión ocupando la cámara de combustión

que se encuentra con una diferencia de presión.

Figura 5. Segundo ciclo de funcionamiento del motor


Existe una gran variedad de motores en el KART dependiendo de la categoría

de la competición, o si es motor de dos o cuatro tiempos. Éstos también se

pueden diferenciar dependiendo el combustible que utilicen para su

funcionamiento, siendo el más común la utilización de gasolina aunque se

existen motores propulsados por gas.

13

Figura 6. Motor marca Rotax modelo 125 MAX EVO

2.2.2.2. PEDALES

Se cuenta con un par de pedales, uno que permite el control del acelerador

figura 7 y otro que permite el accionamiento del freno figura 8, éstos son los

encargados de transmitir las reacciones y deseos del piloto cuando se

encuentre en conducción.

Figura 7. Pedal del acelerador

(TONY KART, 2016)

Existen sugerencias las cuales indican que los pedales no deben ser

apretados con mucha fuerza para que cuenten con una holgura y en ningún

caso deben sobrepasar la defensa delantera. Además existen

comprobaciones a realizar, tales como, los topes de los pedales deben estar

14

graduados y los muelles de retorno de cada pedal deben accionar

adecuadamente permitiendo un regreso a la posición original de cada pedal.

Figura 8. Pedal de freno

(TONY KART, 2016)

2.2.3. SISTEMA DE TRANSMISIÓN

Encargado de transmitir la energía mecánica del motor hacia las ruedas

posteriores, conformado por el eje de transmisión, Soporte del eje, estrella o

catalina, el piñón de transmisión, la cadena de transmisión y finalmente por

los neumáticos. Todos estos elementos trabajan conjuntamente para lograr la

transmisión de energía con pérdidas mínimas hacia las ruedas y de esta

manera permitir el desplazamiento del go kart.

2.2.3.1. EJE DE TRANSMISIÓN

Es el elemento de transmisión de energía del go kart, manufacturado con alta

ingeniería logrando transmitir la máxima potencia al piso y aportarle agarre al

kart, además es el soporte único de los frenos, deben ofrecer flexión y torsión

al go kart, ya que estos vehículos son de competición y se puede decir que

carecen de sistema de suspensión.

Está diseñado de un grosor de entre 25, 40 o 45 mm, dependiendo del chasis

y de la categoría de la competencia. Se acopla al chasis mediante dos o tres

15

soportes que trabajan como puntos de apoyo y cuentan con rodamientos

apropiados para permitir un correcto giro del eje como muestra la figura 9.

Figura 9. Eje posterior o de Transmisión

2.2.3.2. RUEDA DENTADA DE TRANSMISIÓN

Está ubicada de manera fija al eje de salida del motor, trabaja conjuntamente

con los elementos de transmisión permitiendo la conducción de la potencia

del motor hacia el eje posterior, este se muestra en la figura 10.

El número de dientes de éste va a variar dependiendo del tipo de circuito a

correr, variando de esta la relación de transmisión con la catalina del eje de

transmisión.

Figura 10. Piñón de Transmisión del Go Kart

2.2.3.3. CADENA DE TRANSMISIÓN

Sirve para la transmisión del movimiento de arrastre entre de fuerza entre dos

ruedas dentadas.

16

Su longitud va a depender del número de eslabones acoplados y de la

aplicación que se le dé a ésta.

Al prescindir de un tensor, la cadena debe tener una longitud apropiada

dependiendo de la catalina seleccionada, esto sugiere a contar con cadenas

de diferentes medidas o modificarlas añadiendo o quitando eslabones de la

forma que muestra la figura 11.

La tensión de la cadena se va a dar de manera limitada por el desplazamiento

del motor, ya que no va a tener una gran graduación para desplazarse.

Figura 11. Cadena de Transmisión

2.2.4. AROS Y NEUMÁTICOS

En conjunto sirven para la dirección y/o propulsión del go kart y son los

encargados de trasmitir toda la potencia del motor y la eficacia de los frenos

sobre la superficie en la que el go kart está en movimiento, por tal motivo se

hace imprescindible que las prestaciones, eficacia y el rendimiento de estos

sea la óptima.

Los aros son piezas metálicas circulares en forma de cilindro en donde se

montan los neumáticos, dentro de competencias oficiales de karting no deben

sobrepasar las 5 pulgadas de diámetro y son fabricados de aluminio con cierto

porcentaje de aleación de magnesio y cromo, materiales que ofrecen alta

resistencia para las fuerzas aplicadas en competencia tomando la apariencia

de la figura 12.

17

Figura 12. Rin de 5 Pulgadas para Go Kart

En cuanto a los neumáticos son elementos de caucho que se montan sobre

el aro y su función es la de brindar adherencia y fricción sobre pista, de esta

manera haciendo posible el arranque, frenado y guía del vehículo sobre

cualquier superficie.

Dependiendo de la superficie a la que se vayan a someter existen diferentes

clases como los neumáticos para tierra, nieve, hielo, asfalto, etc. Todos estos

con características especiales que hacen que mejore su fiabilidad,

rendimiento y eficiencia en los terrenos para los cuales están designados.

Figura 13. Tipos de Neumáticos Para Go Kart

2.3. PRINCIPALES ELEMENTOS DEL CHASIS DE UN GO

KART

Tomando en cuenta los conceptos que definen a un go kart se determina que

este es un vehículo monoplaza construido con una estructura tubular de acero

18

estructural, este monoplaza carece de algún sistema de amortiguación y es

utilizado en el deporte automovilístico.

Para el chasis se tienen en cuenta varios elementos que lo conforman y que

con unidos de manera fija por un proceso de soldadura.

Figura 14. Chasis y eje posterior diseñados en SolidWorks

2.3.1. CUADRO CHASIS

Es el elemento principal de la estructura del mono-bloque, el cual soporta las

principales piezas y sistemas complementarios de un go kart.

Se conforma por perfiles de cilíndricos de acero que se sujetan entre sí por un

proceso de soldadura, su diámetro es de entre 30 a 32 milímetros siendo estas

medidas las de mayor utilización ya que cuentan con una alta dureza y

flexibilidad que permiten resistir las fuerzas y torsiones que el go kart debe

soportar al carecer de un sistema de amortiguación.

19

Figura 15. Chasis cuadro de go kart

Éste elemento cuenta con una alta aplicación de ingeniería ya que debe

brindar seguridad, versatilidad y regirse a pesos y dimensiones

reglamentadas, además debe otorgar gran comodidad al piloto para que este

pueda maniobras de conducción deportiva con gran agilidad y por esto se

utilizara un software para simular las cargas y esfuerzos que actúan sobre el

chasis.

2.3.2. SOPORTES

Los componentes del go kart se unen al chasis mediante soportes o amarres

que permiten una fijación entre los elementos y el chasis.

Entre los soportes que cuenta el go kart se tienen:

Soporte del Motor

Soporte del asiento

Soporte de la dirección

Soporte del eje posterior

En estos puntos son en los cuales el chasis soportara toda la carga de los

elementos que forman al go kart.

En el soporte es donde el motor va a fijarse al chasis y en donde aplicara su

peso, siento este soporte el que deba resistir tanto la carga del motor como

20

las fuerzas de inercia que este genere al momento que el go kart se encuentre

en movimiento.

Los soprtes del asiento son los encargados de tolerar el peso del piloto y las

fuerzas que este genere al momento que el go kart se encuentre en

movimiento, estos soportes van fijos al chasis de manera fija sin permitir

movimientos laterales.

En cuanto a los soportes de la direccion, es e donde se va a colocar la barra

de la direccion y a esta iran unidas las bieletas y las rotulas, elemetos que

permitira dar trayectoria al go kart.

El soporte del eje de transmisión es el donde el chasis va a sujetarse y donde

se transferirán las cargas a los neumáticos posteriores.

Figura 16. Soporte del eje en el chasis

2.3.3. BANDEJA O PISO

Ubicada en la parte inferior del chasis desde la parte delantera hasta la altura

del asiento del conductor, es ajustada con pernos auto perforantes en el

mismo chasis. La función que cumple es como apoya pies, protección y

soporte para colocar el tanque del carburante. De acuerdo a la reglamentación

está prohibido que contenga agujeros de diámetro superior a la especificación,

al igual que perforaciones en el cuadro por donde puedan estar en riesgo los

21

pies del piloto. Tampoco puede contar con prolongaciones hacia abajo para

generar el “efecto suelo” porque éste está prohibido.

Figura 17. Bandeja o piso del go kart

(TONY KART, 2016)

2.4. ELEMENTOS DE LA CARROCERIA DEL GO KART

2.4.1. BARRAS

La chasis o bastidor se adicionan un juego de barras, generalmente con un

acabado superficial de cromo, su función es la de bridar estabilidad, rigidez o

actuar como soporte de otros elementos.

Figura 18. Barra o soporte de guardachoque frontal

(TONY KART, 2016)

La defensa delantera se encuentra atornillada en sus extremos y en el centro

cuenta con dos apoyos, funciona como la barra estabilizadora del eje

delantero, además protege los pies del piloto de alcances y sirve de soporte

22

para el faldón, se puede modificar su fuerza de acoplamiento con lo que se

logra variar el agarre del eje delantero.

La barra posterior tiene una función muy similar, además sirve de agarre

para el empuje del go kart en el momento del arranque.

Figura 19. Barra o soporte de guardachoque posterior

(TONY KART, 2016)

Las barras laterales añaden rigidez al conjunto además de dar protección al

piloto frente a golpes, finalmente se agregan tirantes desde los soportes del

eje posterior hasta el asiento para conferir mayor rigidez al chasis.

Figura 20. Barras o soportes de guardachoques laterales

(TONY KART, 2016)

23

La barra de torsión tiene la finalidad de conferir estabilidad a la carrocería en

condiciones de conducción extrema, de esta manera se instala en la parte

delantera, justo bajo el volante uniendo los ejes de las ruedas delanteras, esta

ubicación permite una mayor estabilidad en curvas a gran velocidad.

Figura 21. Barra de torsión

(TONY KART, 2016)

2.4.2. PONTONES O GUARDACHOQUES

Son elementos fabricados utilizando polímeros, material que toma la forma de

la matriz o molde en el que se cuele, los pontones están diseñados de tal

manera que presenten la menor resistencia aerodinámica cuando el go kart

se encuentra en conducción.

Figura 22. Pontones o guardachoques de go kart

(TONY KART, 2016)

24

Se ubican en las barras de la parte frontal, posterior y laterales, sujetados con

pernos y arandelas tipo estrella que permiten un ajuste adecuado y evitando

posibles desajustes con las vibraciones generadas cuando el go kart entra en

conducción.

2.4.3. ASIENTO

Elaborado en fibra sirve como un habitaculo para el piloto, ademas aislar el

calor del escape y posible, aunque improbable, fuego.

Se cuenta con una gran gama de asientos, dependiendo del peso del piloto,

éste debe instalarse de tal menera que permita una adecuada sujecion al

desplazamiento del cuerpo en los pasos de curva. Al asiento se atornilla los

tirantes del eje posterior y generalmente tambien se atornilla el lastre, se lo

suele forrar con una capa de plomo en la parte posterior o inferior cuando la

cantidad de peso a agregar es considerable.

Figura 23. Asiento de go kart

(TONY KART, 2016)

La ubicación del asiento es un aspecto muy importante, debido a que se

condicional la postura del piloto y la distribucion de pesos. La posicion del

piloto por lo general no coloca sus brazos o piernas extendidos, sino las

extremidades cuentan con una pequeña flexión que permite la movilidad del

volante sin levanterse al igual que presionar los pedales a fondo sin

problemas. Además, el propio peso del piloto es un factor determinante en el

25

equilibrio del kart (el peso puede ser mayor al kart), por lo que la colocación

del asiento influye considerablemente en el centro de gravedad.

2.5. MATERIALES PARA ESTRUCTURAS DE VEHÍCULOS

Cuando se diseña un bastidor se debe tomar en cuenta factores de los

materiales para elegir el material idóneo y que cumpla con las necesidades

del fabricante, como son; la durabilidad, la soldabilidad, la moldeabilidad,

prestaciones, disponibilidad, precio, peso, entre otros, y siempre teniendo

presente que el bastidor es una estructura de seguridad para los pasajeros

del automóvil.

La selección de materiales se hace mediante varios ensayos, para saber las

propiedades físicas y mecánicas que se tiene en cada uno de los materiales

y así tomar una decisión adecuada (Mark, 2016).

2.5.1. MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE

BASTIDORES

Los materiales que se emplean para la fabricación de bastidores de vehículos

deben cumplir al menos con algunos requisitos:

Buena ductilidad

Módulo de elasticidad alto

Buena soldabilidad

Bajo coste

De esta manera el material que cumple con estos requisitos de manera

indudable es el acero.

En el mercado existen muchos y variados tipos de aceros, entre los cuales,

son los aceros estructurales los que mejor se adaptan para aplicaciones en la

fabricación de carrocerías y superestructuras en vehículos industriales

(Ingemecanica, 2016).

26

La tabla 1 muestra los tipos de aceros estructurales usados habitualmente con

los valores mínimos nominales del límite elástico, los valores de resistencias

últimas a la tracción y los alargamientos a la rotura (Ingemecanica, 2016).

Tabla 1. Tipos de aceros estructurales y sus propiedades

Tipo de Acero Limite elástico

mínimo

Resistencia a

la tracción

Porcentaje mínimo de

alargamiento

Longitudinal Transversal

S235 235 340 – 470 26 24

S275 275 410 – 560 22 20

S355 355 490 - 630 22 20

S460* 460 550 - 720 17 15


Las designaciones de los tipos de acero que se muestran en la tabla 1 se

ajustan a la EN 10025, siendo una norma europea.

Para mayor facilidad se revisa una equivalencia de los aceros a la norma AISI

(American Iron and Steel Institute).

2.5.2. ESPECIFICACIONES DE MATERIALES POR LA FIA

En cuanto a los requerimientos de la FIA (Federación Internacional del

Automóvil) para la utilización de materiales para la construcción del bastidor

se debe tener en cuenta que el material a utilizar debe ser acero magnético

para una estructura tubular de sección cilíndrica que se conforme en una sola

pieza contando con partes soldadas que no puedan ser desmontadas.

La flexibilidad del chasis únicamente debe corresponder a los límites de

elasticidad de la estructura tubular.

Los requerimientos en cuanto a las partes principales del chasis son que

deben estar sólidamente unidos uno a otro o al bastidor, formando un solo

cuerpo solido son articulaciones.

27

Las articulaciones son permitidas únicamente para los soportes de las

manguetas en el sistema de dirección.

Las piezas auxiliares deben estar firmemente fijados entre si o al bastidor. Las

conexiones flexibles están autorizados. Todos los elementos que contribuyen

al funcionamiento normal del kart deben cumplir con los reglamentos. Estas

piezas deben estar montadas para no caerse mientras el kart está en

movimiento.

2.5.3. PROPIEDADES MECÁNICAS DE MATERIALES

Los materiales que se utilizan en estructuras deben contar con algunas

propiedades que le permitan resistir las cargas y esfuerzos al momento del

desplazamiento del go kart.

Maleabilidad: Cualidad de un metal para reducirse en láminas finas,

dobladas o deformadas por choque o presión en caliente o frio.

Tenacidad: Resistencia a la rotura que oponen los materiales a los

esfuerzos es decir la capacidad que tiene los materiales para soportar o

resistir al choque.

Elasticidad: Esta propiedad es la que tienen los materiales para

deformarse, y recuperando su forma original una vez quitado el esfuerzo.

Plasticidad: Es la propiedad de los materiales para ser moldeados cuando

son golpeados con otro material de mayor dureza.

Ductilidad: Es la propiedad que tienen los materiales para estirarse hasta

romperse.

Fragilidad: Es la propiedad para saber la fragilidad de los materiales

cuando tiene una deformación muy pequeña hasta romperse.

Soldabilidad: Es la propiedad de los materiales para ser trabajados sobre

ellos térmicamente.

28

2.6. ACEROS

El acero es una aleación de hierro (Fe) y carbono (C), este material es el más

usado para la fabricación de los bastidores por sus propiedades químicas y

físicas, además de un precio económico y la facilidad de encontrar en el

mercado.

Figura 24. Textura acero

(Aceros Fortuna, 2016)

2.6.1. ACEROS AL CARBONO

La mayoría de aceros son al carbono, lo que distingue en esta clase de acero

es la variación de cantidad de carbono y de los demás compuestos que tiene

pero es en mínimas cantidades, este tipo de acero es utilizado para fabricar

estructuras, carrocería de automóvil, maquinas, etc.

2.6.2. ACEROS ALEADOS

Este tipo de acero está compuesto por una cantidad de vanadio, molibdeno,

magnesio, silicio y cobre, y son utilizados para fabricar engranajes, ejes,

cuchillos, etc.

29

2.6.3. ACEROS DE BAJA ALEACIÓN

Este tipo de acero también es llamado ultra resistente ya que es el más

resístete de los 5 tipos de aceros, y el valor de este acero es bajo ya que la

cantidad de aleaciones son menores. Este tipo de acero sirve para la

construcción de edificios y para los vagones (Appold, 2005).

2.6.4. VENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL

El acero para aplicaciones estructurales cuenta con propiedades mostradas

en la sección 2.6.1.; dichas propiedades le otorgan ventajas características a

este acero que le permiten un óptimo desempeño en estructuras al resistir

cargas y esfuerzos, ventajas tales como:

Alta resistencia por unidad de peso lo cual permite estructuras

relativamente livianas lo cual es de mucha importancia en la construcción.

La homogeneidad es una de las propiedades más importantes del acero

ya que no se altera con el tiempo, ni varían con la localización en los

elementos estructurales

La elasticidad que tiene el acero es necesario en las construcciones por

eso le hace muy apetecible en las construcciones antisísmicas, además

permite soportar deformaciones sin falla.

2.6.5. DESVENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL

El acero estructural al contar con características específicas para resistir

cargas y esfuerzos, descuida otros aspectos que se pueden solucionar con

tratamientos y acabados superficiales.

30

El acero expuesto a la intemperie tiende a oxidarse por lo cual

necesariamente necesita de esmaltes alquílicos o más conocidos como

antioxidantes para protegerlo.

Cuando sufre demasiada carga se genera un pandeo el cual obliga al

material a ceder, cambiar de forma y quedar pandeado.

2.7. FUNDAMENTOS TEÓRICOS PARA EL DISEÑO DEL

CHASIS DE GO KART

2.7.1. PESOS

El peso se define como la masa de un cuerpo afectada por la gravedad. De

tal manera se tiene que la fuerza que se aplica a un elemento es el producto

entre el valor de su masa y la aceleración adquirida.

𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎 [1]

2.7.2. FUERZA DE EMPUJE

La fuerza de empuje es la necesaria para que el go kart pueda vencer la fuerza

de rozamiento del piso y pueda moverse con una velocidad máxima se logra

determinar aplicando la siguiente ecuación:

𝐹𝑒𝑚 = 𝜇𝑑 ∗ 𝑊𝑇

[2]

Donde:

𝜇𝑑 = Coeficiente de rozamiento dinámico caucho-asfalto (Serway, 2009).

𝑊𝑇 = Sumatoria de pesos incluyendo piloto.

31

2.7.3. TORQUE REQUERIDO

Para que el go kart pueda vencer la inercia y el rozamiento de los neumáticos

con el asfalto es necesaria una fuerza, dicha fuerza hará que el monoplaza se

mantenga en movimiento y dicha fuerza es la mínima que deberá ser

entregada por el motor.

Esta fuerza es el producto de la fuerza de empuje y el radio del neumático

empleado.

𝑇 = 𝐹𝑒𝑚 ∗ 𝑟 [3]

Donde:

𝐹𝑒𝑚 = Fuerza de empuje

𝑟 = Radio máximo del neumático con rin de 5 pulg (CIK-FIA, 2016).

2.7.4. ACELERACIÓN

Es una magnitud vectorial que nos indica la variación de velocidad por unidad

de tiempo.

Se la llega a determinar con la siguiente ecuación:

𝑎𝑎𝑐𝑒𝑙 =𝑣𝑓−𝑣0

𝑡 [4]

Donde:

𝑣𝑓 = Velocidad máxima alcanzada

𝑣0 = Velocidad inicial

𝑡 = Tiempo en alcanzar la velocidad máxima

2.7.5. ACELERACIÓN NORMAL

Es una magnitud relacionada con el cambio de dirección de la velocidad de

una partícula en movimiento cuando recorre una trayectoria curvilínea.

32

Dada una trayectoria curvilínea la aceleración normal va dirigida hacia el

centro de curvatura de la trayectoria.

Cuando una un cuerpo se mueve en una trayectoria curvilínea, aunque se

mueva con rapidez constante, su velocidad cambia de dirección, ya que esta

es un vector tangente a la trayectoria, y en las curvas dicha tangente no es

constante.

El valor de la aceleración normal 𝑎𝑛 se obtiene la siguiente manera:

𝑎𝑛 = 𝑣2

𝑟 [5]

Donde:

𝑣 = Velocidad máxima.

𝑟 = Radio de la curva.

De acuerdo a la segunda ley de Newton el movimiento en la dirección radial,

la velocidad máxima 𝑣 que puede alcanzar el go kart sin volcarse esta dado

por:

𝑣 = √𝜇𝑑 ∗ 𝑟 ∗ 𝑔 [6]

Donde:

𝜇𝑑 = Coeficiente de rozamiento dinámico caucho-asfalto.

𝑟 = Radio de la curva.

2.7.6. TENSIÓN DE VON MISES

Es una magnitud física que cuenta con una proporcionalidad con la energía

de distorsión, en ingeniería es utilizado en análisis de estructuras junto con la

teoría de fallo y permiten determinar el desempeño de los materiales utilizados

en la estructura (Hearn, 2001).

33

El esfuerzo de tensión de Von Mises puede calcularse fácilmente partiendo de

las tensiones principales den tensor tensión en un punto de un sólido que

pueda deformarse (Hearn, 2001).

El software utilizado como ayuda nos entrega resultados de la tensión de Von

Mises aplicando fundamentaciones teóricas que se muestran en la siguiente

ecuación:

𝜎𝑉𝑀 = √(𝜎1−𝜎2 )2+(𝜎2−𝜎3 )2+(𝜎3−𝜎1 )2

2 [7]

Donde:

𝜎𝑉𝑀 = Esfuerzo de Von Mises.

𝜎1; 𝜎2; 𝜎3 = Tensiones principales.

2.7.7. TENSIONES PRINCIPALES

En ingeniería las tensiones principales nos hace referencia a una recta de

puntos formada por vectores de alguna magnitud de tipo tensorial, las tres

tensiones principalmente conocidas son:

Direcciones principales de inercia

Direcciones principales de tensión

Direcciones principales de deformación

Con estas tensiones, se puede calcular el valor del esfuerzo máximo de Von

Mises y determinar el desempeño de una estructura.

2.7.8. FACTOR DE SEGURIDAD

Al momento de diseñar un elemento mecánico o una estructura se debe evitar

que estos fallen, las cargas que soporta una estructura deben ser mayores a

34

las cargas a las cuales va a someterse cuando esté en funcionamiento

(Budynas & Nisbett, 2008).

Conociendo que la resistencia es la capacidad de una estructura para soportar

cargas, la resistencia real debe ser mayor que la resistencia requerida

(Budynas & Nisbett, 2008).

La expresión del factor de seguridad es:

𝑛 =𝑆𝑦

𝜎 [8]

Donde:

𝑆𝑦 = Límite de fluencia del acero AISI 4130.

= Esfuerzo máximo de tensión.

Naturalmente el factor de seguridad debe ser un valor superior a 1 para evitar

que exista una falla en la estructura, dependiendo de las aplicaciones y del

criterio del diseñador, los factores d seguridad por lo general tienen una

variación de 1 hasta 10.

2.7.9. LÍMITE DE FLUENCIA

Es el punto en donde inicia el fenómeno conocido como fluencia el cual

presenta una deformación irreversible, los materiales hasta llegar al límite de

fluencia se comporta bajo de manera elástica respondiendo a la ley de Hooke

(Mott, Resistencia de Materiales, 2009).

No todos los materiales tienen un límite de fluencia, su valor se encuentra bien

definido para la mayor parte de metales, indicando la tensión que soporta una

probeta en el ensayo de tracción antes de producirse el fenómeno de fluencia

(Mott, Diseño de elementos de máquinas, 2006).

De acuerdo a los alumnos de la Escuela Técnica Profesional de Argentina se

indica en la tabla 2 las propiedades mecánicas del acero AISI 4130 siendo

este la equivalencia del acero S355.

35

Tabla 2. Propiedades mecánicas del acero AISI 4130

Estado Límite de rotura Límite de fluencia Alargamiento Estricción

LC 76 48 22 52

TT 70 46 26 58

TT 108 94 15 57

TT 119 109 13 51

LC 67 50 22 56

TT 99 94 18 63

(ESCUELA TÉCNICA PROFESIONAL DE ARGENTINA, 2016)

Los valores de los límites tanto de rotura como de fluencia están e Kg/mm2,

mientras que el alargamiento y estricción indican su porcentaje (%).

2.7.10. RESISTENCIA AERODINÁMICA

Esta fuerza es una de las más importantes en el cálculo para el desarrollo de

todo el vehículo, esta fuerza es la actuante sobre un área correspondiente a

la proyección del vehículo en un plano perpendicular a su eje longitudinal

(MacBeath, 2005).

Figura 25. Resistencia aerodinámica

(Agudo, 2013)

36

2.7.11. RESISTENCIA FRONTAL DEL AIRE

El go kart a moverse a su máxima velocidad va a generar que el aire pase por

su superficie frontal logrando que el aire genere una resistencia al movimiento

del monoplaza, esta carga se la calcula aplicando la siguiente ecuación:

𝑅𝑎𝑓 =1

2∗ 𝐶𝑥 ∗ 𝑝 ∗ 𝐴𝑓 ∗ 𝑉2 [9]

Dónde:

𝑅𝑎𝑓 = Carga por resistencia Aerodinámica, en (N).

𝑝 = Densidad del aire, en (kg/m³).

𝑉 = Velocidad del aire, en (m/s), (Como mínimo 25 m/s).

𝐴𝑓 = Área frontal, en (m²).

𝐶𝑥 = Coeficiente de resistencia del aire, (Como mínimo 0.7).

La densidad del aire depende de la altura sobre el nivel del mar en la cual se

realice el análisis, por lo cual la tabla indica la densidad dependiendo de la

altura de la ciudad de Quito.

Tabla 3. Densidad del aire en función de la altura

Altitud [msnm]

Mínimo [kg/m3]

Promedio [kg/m3]

Máximo [kg/m3]

0 1.1405 1.2254 1.3167

2000 0.9595 1.0076 1.0572

2743 0.8986 0.9355 0.9723

(Müller, 2002)

METODOLOGÍA

37

3. METODOLOGÍA

Con base en el objetivo principal del proyecto a cerca del diseño y

construcción de los sistemas de bastidor y carrocería para un prototipo de go

kart con base al reglamento de la FIA, se tomó la decisión de desarrollar una

metodología de tipo experimental para desarrollar el proyecto, esto se lleva a

cabo con una amplia investigación en cuanto a esfuerzos, características de

materiales, condiciones de manejo siendo estas condiciones que otorgan un

punto de partida para lograr la ejecución.

Partiendo por la categorización efectuada por la CIK FIA mostrada en la tabla

4, se llego a conocer las condiciones a las cuales el go kart iba a estar

sometido.

Tabla 4. Categorías de Karting

Grupo I

KZ1 Cilindrada 125 cc

Superkart Cilindrada 250 cc

Grupo II

KZ2 Cilindrada 125 cc

OK Cilindrada 125 cc

OK-Junior Cilindrada 125 cc

(CIK-FIA, 2016)

Con el extracto de categorías de competencia de karting, se llega a

seleccionar la categoría KZ2 perteneciente al Grupo II en donde se especifica

el empleo de motores con capacidad volumétrica o cilindrada máxima de 125

centímetros cúbicos, y desde este punto se inició para el desarrollo en el

diseño del chasis, debido a que las características del motor cumplen un papel

importante en los cálculos estructurales del chasis.

El primer paso dado fue la investigación y análisis de los materiales ya

empleados en la fabricación de estructuras para vehículos, con esto se generó

38

una guía que ayudo a saber el tipo de acero que se podía emplear en la

construcción del bastidor.

Posterior al análisis del material a utilizar y a la categoría seleccionada del

reglamento de la FIA se inició con el diseño de la estructura del bastidor

haciendo uso del software SolidWorks en el cual se dibujó los planos del

chasis con sus las dimensiones tanto de diámetros, longitudes y ángulos

rigiéndose a la categoría KZ2 de la CIK-FIA indicados en la tabla 5.

Consecutivamente se realizó el ensamble de las partes y elementos

diseñados para que la estructura forme un solo cuerpo como lo determina el

reglamento de la FIA, y con esto se puede iniciar la simulación de esfuerzos

para lo cual primero se calcularon las cargas que debe soportar el chasis.

El chasis generalmente está sometido a fuerzas de flexión y torsión, siendo

esta última más importante que la flexión, afecta a las cargas de las ruedas,

que son las mayores que generar esfuerzo en el chasis, además el vehículo

también está sometido a esfuerzos aerodinámicos.

Para todas estas cargas lo primordial fue determinar los pesos que soportara

el chasis, eso se logra aplicando la ecuación 1 con lo cual las masas tanto del

motor, piloto y chasis serán multiplicadas por la gravedad que actúa como

aceleración.

Con los valores de los pesos establecidos, se continuo con el cálculo de la

fuerza de empuje necesaria para lograr sacar el go kart del estado de reposo,

para la cual se utilizara la ecuación 2 que emplea un coeficiente de rozamiento

dinámico entre caucho-asfalto y la sumatoria de pesos incluyendo al piloto,

además se hizo necesario determinar el torque necesario para mantener en

movimiento el monoplaza y esto se logra con la aplicación de la ecuación 3.

Todos estas cargas son analizadas de manera estática, pero cuando el go

kart entra en conducción es necesario saber su aceleración para lo cual se

asume una velocidad máxima en un tiempo determinado y se aplica la

ecuación 4.

Además de la aceleración se necesitó de manera primordial el cálculo de las

fuerzas de inercia de las cargas tanto del piloto como del motor en condiciones

39

de conducción extremas, esto se lograra empleando la ecuación 1

adicionándole un coeficiente parcial de seguridad para cargas variables 𝛾𝑄.

Cuando el vehículo ingresa en una curva, se genera una fuerza centrífuga la

cual depende de una aceleración normal que se conocerá con la utilización

de la ecuación 5 y la ecuación 6 que indica la velocidad máxima antes del

volcamiento.

De esta manera se logró una selección técnica del material más idóneo que

permitirá solventar los requerimientos y exigencias tanto técnicas como

mecánicas y poder obtener un correcto diseño que pueda garantizar la

eficacia del proyecto en funcionamiento y un empleo adecuado de elementos

homologados en la construcción de go karts.

Una vez determinadas todas las cargas y esfuerzos se inicia la simulación

empleando SolidWorks en el cual se ingresan los datos obtenidos y el material

a emplear, con lo cual el software correrá y nos otorgara resultados que se

deberán analizar, ya en análisis dinámico que el programa hace es basado en

el teorema de Von Mises que se mostró en la ecuación 7.

Cuando se diseña cualquier elemento o estructura es necesario analizar los

resultados que se obtienen con la ayuda de programas computacionales, lo

cual se realizó y empleando la ecuación 8 que indica el factor de seguridad.

Como parte final del diseño es necesario un cálculo de la resistencia que

presenta el aire al movimiento del go kart, esta es una resistencia frontal la

cual se determina con la aplicación de la ecuación 9 que emplea la velocidad

del vehículo, la densidad del aire y un coeficiente de resistencia del aire en

función de la altura sobre el nivel del mar.

El chasis se define según la FIA como la parte central y el apoyo de todo el

kart, siendo lo suficientemente resistentes y ser capaz de absorber las cargas

que se producen cuando el kart está en movimiento (CIK-FIA, 2016).

Para realizar la asignación de recursos económicos para la fabricación del

chasis y la carrocería de un Go Kart se determinaron los materiales y los

procedimientos necesarios para que los costes de producción no afecten de

una manera negativa el proyecto, el mismo que debe contar con una

40

estructura uniforme ajustada al diseño y normas reglamentarias otorgadas por

el ente regulador.

Para ayudar en el proceso de fabricación del go kart semuestra sus principales

elementos además de la forma desde una vista superior en la figura 26.

Figura 26. Plano de componentes principales del go kart

(CIK-FIA, 2016)

El primer procedimiento para la elaboración de una estructura generalmente

inicia con el corte de secciones del material de acuerdo a las dimensiones

necesitadas mostradas en la figura 27, posterior a esto se hace realiza una

preparación de los bordes de las barras, las cuales posteriormente seguirán

el proceso de soldadura para que al final éstas den forma a la estructura.

Figura 27. Dimensiones del chasis para go kart categoría KZ2

(CIK-FIA, 2016)

41

Entre los métodos que son utilizados con mayor frecuencia tenemos el corte

pro aserrado y el corte por soplete.

Para el caso de una estructura para chasis, debido a su bajo coste y a su

simplicidad de ejecución la mejor alternativa es el aserrado a comparación del

corte por soplete.

Este método necesita de herramientas, las cuales pueden ser, una sierra con

avance hidráulico, una banda de aserrado o una sierra en un arco para el

denominado proceso manual de corte.

Figura 28. Perfil tubular aserrado y listo para soldar

(JNACEROS, 2013)

Posterior al corte de los perfiles se continua a efectuar el doblado de los

mismos que formaran parte del chasis del go kart, y para esto se utiliza una

dobladora de tubo accionada con fuerza hidráulica para otorgar una curvatura

adecuada de acuerdo a los requerimientos del chasis.

Figura 29. Doblado de perfiles tubulares

42

Una vez finalizado el proceso de doblaje de los perfiles circulares, se inicia el

proceso de armado y soldadura de todos los tubos que en conjunto formarán

el chasis cuadro, para esto debe ser alineador en una mesa de trabajo además

se ubica en la posición requerida los elementos como el motor, el eje posterior

y los sistemas de dirección y frenos, evitando de ésta manera que, luego de

haber realizado las soldaduras pertinentes existan variaciones exageradas ya

sea en distancio o posición de estos elementos, de esta manera se consigue

una correcta unión tanto de los perfiles laterales como los perfiles que forman

la parte delantera, posterior e interior del Chasis mediante el proceso de

soldadura GMAW.

Figura 30. Soldadura de chasis

Figura 31. Chasis cuadro soldado

43

Para unir dos piezas metálicas necesitamos de un proceso llamado suelda por

arco, la unión de la piezas se da por el calor generado por el arco eléctrico,

como se indica en la figura 28.

Figura 32. Circuito básico de suelda por arco eléctrico

(Lincoln Electric, 2016)

En este proceso la energía eléctrica se transforma en energía térmica, esto

ayuda al flujo continuo de electrones atreves de un medio gaseoso, en este

proceso se genera luz y calor, para comenzar a soldar se necesita una

separación de las piezas metálicas uso 1,5 a 3 (mm), con esta separación se

dará la chispa eléctrica y así se comienza a fundir tanto el material de aporte

como la piezas en su área de contacto (OERLIKON, 2013).

Para la soldadura de perfiles tubulares el método de arco eléctrico es el más

comúnmente utilizado, además para el proceso de soldadura de perfiles

tubulares se utiliza el proceso GMAW

Éstos procedimientos son los que mejores características presentan para

realizar el proceso de soldadura en perfiles tubulares, para su procedimiento

es necesario conoces tres métodos para soldar, la soldadura manual, con

maquina semiautomática o totalmente automática, siendo los dos primeros los

normalmente empleados para el caso de perfiles tubulares.

Para el proceso a realizarse en el presente trabajo, el procedimiento de

soldadura GMAW es el que más se apega a los requerimientos:

Tipo de material a soldar

Material de aporte

44

Tipo de corriente

Espesor

Calidad del cordón (estética)

Para continuar se diseñaron los soportes tanto del eje posterior como de las

manguetas de la dirección y de las mordazas de freno del go kart,

adicionalmente se integran los soportes del tanque de combustible y de los

parachoques posterior, delantero y laterales, así como los del asiento, de la

dirección, de los pedales del freno y del acelerador, soldando todos estos

elementos mediante proceso GMAW.

Figura 33. Dimensiones del soporte de mangueta

Figura 34. Soportes del eje posterior

45

Una vez finalizado con la fabricación del chasis se procede a una limpieza

para eliminar restos de grasa y suciedad que se producen al manipular los

perfiles y por el proceso de soldadura, por tal motivo para proteger de agentes

corrosivos se continúa con un proceso de pintura que para este proyecto es

de color verde dándole estética a este proyecto.

Figura 35. Proceso de pintura para el chasis

Para concluir con el proyecto se procede a la ubicación de los guardachoques

tanto delantero, posterior y los dos guardachoques laterales en la carrocería

del go kart, estos darán seguridad al piloto además de calidad estética al go

kart.

Figura 36. Ubicación del protector de la dirección

46

Figura 37. Ubicación guardachoque lateral

Para lograr obtener un funcionamiento adecuado y óptimo es indispensable

realizar varios ajustes y calibraciones propios del diseño.

Como paso final se ubica el asiento tomando en cuenta una madia de la

estatura masculina, para esto se debe tomar un punto de referencia ubicado

en la parte delantera del chasis, el valor es de 61 cm tomados desde el

extremo inferior izquierdo del asiento hasta el perfil frontal del chasis y 62 cm

desde el extremo inferior derecho hasta el mismo punto en el frontal derecho.

Posteriormente se toma la distancia posterior del asiento con referencia al eje

de transmisión siendo el valor 23cm, luego se realiza el ajuste del mismo al

Chasis.

Figura 38. Ubicación del asiento del piloto

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

47

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1. PARAMETROS DE DISEÑO DE LOS COMPONENTES

ESTRUCTURALES DEL GO KART

El vehículo que se va a diseñar es un monoplaza de cuatro ruedas sin

alineación que entren en contacto con el suelo siendo las ruedas delanteras

las que tracen la trayectoria y las ruedas posteriores son las motrices. En la

Figura 40 se muestra el chasis el cual dota de rigidez y resistencia a todo el

conjunto, además trabaja como soporte de los demás elementos del

monoplaza y los pontones de protección.

Figura 39. Chasis cuadro y guardachoques (Pontones)

(Go-Karts, 2011)

De acuerdo al Reglamento Técnico del Karting (Anexo1) y a la categoría

seleccionada (Group II: KZ2), el chasis del go kart debe cumplir con las

especificaciones técnicas mostradas en la tabla 5.

48

Tabla 5. Especificaciones técnicas categoría KZ2

ESPECIFICACIÓN DIMENSIONES

mínimo máximo

Distancia entre ejes 101 127

Ancho de vía 2/3 distancia entre ejes -

Longitud total - 182

Anchura total - 140

Altura - 60

(CIK-FIA, 2016)

Los valores utilizados en la tabla 4 utilizan unidades en centímetros.

Además de las especificaciones técnicas enlistadas anteriormente, en el

reglamento se establecen varias exigencias como:

Chasis de construcción tubular de sección cilíndrica en acero.

Estructura monolíticas para las piezas soldadas no desmontables, sin

conexiones (móviles dentro 1, 2 o 3 ejes).

Flexibilidad del chasis correspondiente a los límites de elasticidad de la

construcción tubular.

Todas las piezas principales de los chasis estarán fijadas sólidamente unas

con las otras o al chasis.

Una construcción rígida es necesaria, a pesar de las de articulaciones

(móviles dentro 1,2 ó 3 ejes).

Las conexiones articuladas no son admitidas con el soporte convencional

de la manecilla del eje y de la dirección.

Todo dispositivo de amortiguación hidráulica o neumático contra las

oscilaciones está prohibido.

El eje posterior ha de tener un diámetro exterior máximo de 50 mm. y un

espesor de pared mínima en todo el tubo de 1,9 mm.

49

4.2. DETERMINACIÓN DE CARGAS

El chasis generalmente está sometido a fuerzas de flexión y torsión, esta

torsión es más importante que la flexión, no afecta a las cargas de las ruedas,

que son las mayores que afectan al chasis. El coche también está sometido a

esfuerzos debido a la aerodinámica.

Los esfuerzos a tomar en cuenta, son los presentes en condiciones extremas

como:

Aceleración brusca

Frenada brusca (recta o curva)

Máxima velocidad en curva

Colisiones ( choque y vuelco)

Para el chasis tubular del go kart las cargas aerodinámicas no son realmente

muy importantes debido a que las velocidades máximas no son lo

suficientemente elevadas como para generar una influencia por tal motivo, la

estructura tubular estará sometida a los siguientes tipos de cargas:

Cargas permanentes G; debidas al peso propio de la estructura, al peso

de los diferentes sistemas y al peso del conductor.

Cargas variables Q; debidas a las cargas provenientes de la suspensión y

las inercias al acelerar, al frenar o al girar.

Las cargas variables (Q) son denominadas, cuasiestáticas debido que tiene

una variación dependiendo de la aceleración o del frenado, siendo el cambio

en la aceleración el responsable de la variación en las cargas de inercia y su

magnitud será proporcional a la variación de la aceleración. Se debe tomar

como un valor característico el valor medio de la carga de inercia generado

en la maniobra y este valor será multiplicado por un coeficiente parcial de

seguridad 𝛾𝑄 adoptado para la carga considerada.

De tal manera, para la determinación de las cargas que afectan directamente

sobre el chasis del monoplaza, se toman los siguientes valores para los

coeficientes de multiplicación de la carga:

50

Para cargas permanentes 𝛾𝐺 = 1.33

Para cargas variables 𝛾𝑄 = 1.5

Los puntos de aplicación de las cargas son:

Soportes del motor de combustión (peso e inercia del motor).

Soportes donde se apliquen pesos considerables (fuerzas de peso e

inercia).

La estructura en sí (fuerzas de peso e inercias)

4.2.1. PESOS

Para el análisis de los esfuerzos del chasis del go kart se debe tener en cuenta

el peso de los componentes principales incluyendo el peso del piloto, estos

valores deben ser multiplicados por el coeficiente parcial de seguridad para

cargas fijas 𝛾𝐺.

Utilizando la ecuación 1 se tiene:

Peso del piloto (hombre percentil 95%)= 75Kg = 750 N

𝑊𝑝 = 750 ∗ 1.33

𝑊𝑝 = 997.5 𝑁

Peso del motor (Rotax Homologado) 25 Kg = 250 N

𝑊𝑚 = 250 ∗ 1.33

𝑊𝑚 = 332.5 𝑁

Peso del chasis (homologado) 20 kg = 200 N

𝑊𝑐ℎ = 200 ∗ 1.33

𝑊𝑐ℎ = 266 𝑁

51

4.2.2. FUERZA DE EMPUJE

Para determinar la fuerza de empuje utilizando la ecuación 5 se tiene:

𝐹𝑒𝑚 = 𝜇𝑑 ∗ 𝑊𝑇

𝐹𝑒𝑚 = 0.6 ∗ 1596 𝑁

𝐹𝑒𝑚 = 957.6 𝑁

La fuerza de empuje es transmitida desde el suelo hasta los apoyos de los

neumáticos.

4.2.3. TORQUE REQUERIDO

Para obtener la fuerza de empuje en las ruedas motrices y mantener al go kart

en movimiento se necesita que el motor pueda entregar un torque requerido

al eje de transmisión, este torque se obtiene empleando la ecuación 3 de la

siguiente manera:

𝑇 = 𝐹𝑒𝑚 ∗ 𝑟

𝑇 = 957.6 𝑁 ∗ 0.15 𝑚

𝑇 = 143.64 𝑁𝑚

Este valor representa el torque mínimo con el que el eje de transmisión debe

contar para lograr mantener al go kart en movimiento, además este torque es

aplicado a los pernos de sujeción del eje posterior al chasis.

4.3. CARGAS GENERADAS EN CONDICIONES EXTREMAS

(ACELERACIÓN-FRENADA)

Las condiciones extremas a las que el go kart se somete son cuando se aplica

ya sea una aceleración brusca o una frenada brusca, lo cual desarrolla cargas

52

de inercia que deben ser soportadas por el chasis y su valor depende de la

aceleración alcanzada.

4.3.1. ACELERACIÓN

Un go kart de competencia es una máquina de precisión que logra alcanzar

velocidades cercanas a las 100Km/h en un tiempo de 10 segundos, por tal

motivo, la aceleración máxima en una aceleración brusca se tiene aplicando

la ecuación 4 teniendo que:

𝑎𝑎𝑐𝑒𝑙 =𝑣𝑓−𝑣0

𝑡

𝑎𝑎𝑐𝑒𝑙 =27.8

𝑚

𝑠−0

10 𝑠

𝑎𝑎𝑐𝑒𝑙 = 2.78 𝑚/𝑠2

Del mismo modo, cuando el go kart se desplaza con su velocidad máxima y

se realiza una frenada brusca, se necesita una desaceleración que detenga

logre detener el go kart en un tiempo máximo de 5 segundos, esta

desaceleración se calcula con la ecuación 7 de la siguiente manera:

𝑎𝑓𝑟𝑒 =𝑣𝑓−𝑣0

𝑡

𝑎𝑓𝑟𝑒 =0−27.8𝑚/𝑠

5𝑠

𝑎𝑓𝑟𝑒 = −5.56 𝑚/𝑠2

Con los resultados se muestra que la mayor cantidad de fuerzas de inercia se

van a producir en el momento de frenada brusca del go kart, esto se debe a

que el valor de la aceleración obtenido en la frenada brusca es mayor que en

aceleración.

53

4.3.2. FUERZAS DE INERCIA DEL PILOTO

La inercia producida por el peso del piloto es aplicada directamente sobre los

amarres del asiento, siendo producto de las aceleraciones y frenadas en

condiciones extremas.

El cálculo se realiza con una masa del piloto de 75 Kg utilizando la ecuación

1 adicionando el valor del coeficiente parcial de seguridad para cargas

variables 𝛾𝑄.

Aplicando la ecuación se tiene:

𝐹𝑝 = 75 𝑘𝑔 ∗ 5.56 𝑚/𝑠2 ∗ 1.5

𝐹𝑝 = 625.5 𝑁

4.3.3. FUERZAS DE INERCIA DEL MOTOR

La fuerza de inercia del motor es producto tanto de las aceleraciones y

frenadas bruscas, esta carga se aplica sobre los amarres del motor.


𝐹𝑚 = 𝑚𝑚 ∗ 𝑎𝑓𝑟𝑒 ∗ 𝛾𝑄

𝐹𝑚 = 25 𝐾𝑔 ∗ 5.56 𝑚/𝑠2 ∗ 1.5

𝐹𝑚 = 208.5 𝑁

4.4. FUERZAS PRODUCIDAS EN CURVA A MÁXIMA

VELOCIDAD

Cuando el go Kart ingresa a una curva, este es sometido a una fuerza

centrífuga que tiende a expulsarlo hacia el exterior de la curva, de tal manera

se genera una mayor carga en las ruedas exteriores que en la interiores.

54

Para determinar la aceleración normal utilizando los valores que se conocen

debemos reemplazar la ecuación 6 en la ecuación 5 y se obtiene:

𝑎𝑛 = 𝜇𝑑∗𝑟∗𝑔

𝑟

𝑎𝑛 = 0.6 ∗ 10

𝑎𝑛 = 6 𝑚/𝑠2

4.4.1. FUERZAS DE INERCIA DEL PILOTO EN CURVA

Se calcula de manera similar al de la aceleración y frenado en condiciones

extremas tomando en cuenta una aceleración normal 𝑎𝑛 y actual hacia el

exterior en dirección normal a la curva (perpendicular al eje tangencial).

Aplicando la ecuación 8 con una masa del piloto de 75 kg se indica:

𝐹𝑝.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 𝑚𝑝 ∗ 𝑎𝑓𝑟𝑒 ∗ 𝛾𝑄

𝐹𝑝.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 75 𝐾𝑔 ∗ 6𝑚

𝑠2 ∗ 1.5

𝐹𝑝.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 900 𝑁

4.4.2. FUERZAS DE INERCIA DEL MOTOR EN CURVA

De igual manera esta fuerza actúa en los amarres del motor en una dirección

normal a la curva y se determina utilizando una aceleración normal.

Para una masa de motor de 25 kg y aplicando la ecuación 8 se tiene:

𝐹𝑚.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 𝑚𝑚 ∗ 𝑎𝑓𝑟𝑒 ∗ 𝛾𝑄

𝐹𝑚.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 25 𝐾𝑔 ∗ 6𝑚

𝑠2∗ 1.5

𝐹𝑚.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 225 𝑁

55

4.5. SELECCIÓN DE MATERIALES

Teniendo en cuanta la gran cantidad de esfuerzos a las que va a someter la

estructural del go kart y rigiéndonos a las especificaciones técnicas que se

deben cumplir de acuerdo a la FIA, el chasis debe ser fabricado utilizando un

acero AISI 4130.

Este acero es una aleación formada de cromo y molibdeno con una gran

utilización en la industria aeronáutica, con características altas de

soldabilidad, facilidad de fabricación y endurecimiento ligero. Acorde a su

análisis químico presenta un porcentaje de 0.30% de Carbono, 0.50% de

Manganeso, 0.95% de Cromo, 0.25% de Silicio y 0.20% de Molibdeno,

aleación que le dan una templabilidad relativamente alta que lo hacen perfecto

para aplicaciones en donde se requiere dureza y tenacidad.

En cuanto a las características físicas del acero AISI 4130 se presentan en la

tabla número 7.

Tabla 6. Propiedades Físicas del Acero AISI 4130

Propiedad Valor

Densidad 0.284 𝑙𝑏/𝑖𝑛3 7.85 𝐾𝑔/𝑐𝑚3

Temperatura Criticas 750 °𝐶

Limite de fluencia 480 − 590 𝑀𝑃𝑎

Modulo de corte 80 𝐺𝑃𝑎

Maquinabilidad 70%

Calor específico 0.477 𝐽/𝑔℃

Consuctibilidad térmica 42.7 w/mK


Además se muestran las propiedades mecánicas para un posterior análisis de

diseño en las figuras 40 y 41.

56

Figura 40. Propiedades mecánicas (Dureza vs Temp. Revenido)


Figura 41. Propiedades mecánicas


57

4.6. MODELADO DEL CHASIS DEL GO KART

Acorde a las especificaciones del Reglamento Técnico de Karting tanto en

dimensiones y geometría del chasis homologado para la categoría KZ2

mostrado en la figura 27, se modeló el chasis en el Software SolidWorks de

acuerdo a los requerimientos tanto de funcionalidad y seguridad que exige

este tipo de deporte.

Utilizando los diversos comandos para diseñar en un plano, además de los

comandos que permiten crear y editar las operaciones de elementos solidos

disponibles en SolidWorks, se modela en tres dimensiones el chasis del go

kart y posteriormente se realiza su análisis de esfuerzos empleando

SolidWorksSimulation.

Figura 42. Chasis modelado en SolidWorks

4.7. DISEÑO DEL CHASIS TUBULAR

La estructura tubular rígida está formada por un grupo de tubos de acero

soldados y que va a soportar elementos y componentes del go kart, es por

esto que el chasis debe ser diseñado para soportar los pesos de los elementos

del go kart así como las fuerzas de inercia que se generan en el manejo e

condiciones extremas como aceleración y frenada brusca, y al tomar curvas a

su máxima velocidad.

58

4.8. DISEÑO DEL CHASIS EN CALERACION Y FRENADA

BRUSCA EN EL SOFTWARE SOLIDWORKS

En ingeniería para diseñar alguna estructura y analizar su resistencia a las

cargas aplicables es necesario la utilización de software que permitan esta

labor y simplifique el estudio, por lo cual para este proyecto se utiliza

SolidWorks para las simulaciones de cargas y esfuerzos.

Posteriormente se realizó el análisis de los resultados entregados por el

software para determinar la capacidad de la estructura.

4.8.1. ASIGNACIÓN DE CARGAS

Utilizando los resultados de las cargas calculadas en la sección 4.2 y 4.3, en

el momento que el go kart realiza una frenada brusca se determinó que el

chasis debe soportar las cargas siguientes:

𝑊𝑝 = 997.5 𝑁

𝑊𝑚 = 332.5 𝑁

𝑊𝑐ℎ = 266 𝑁

𝐹𝑒𝑚 = 957.6 𝑁

𝑇 = 143.64 𝑁𝑚

𝐹𝑝 = 625.5 𝑁

𝐹𝑚 = 208.5 𝑁

Una vez asignadas las cargas actuantes sobre la estructura se procede a

analizar los datos obtenidos por el software.

59

Figura 43. Captura de aplicación de cargas SolidWorks

4.8.2. ESFUERZO VON MISES

SolidWorks siendo un software para análisis de esfuerzos en estructuras no

estrega los resultados basándose en la ecuación 7; de tal manera indica el

análisis en la figura 44.

Figura 44. Captura de esfuerzo de Von Mises en SolidWorks

La figura 44 indica los resultados del análisis de los esfuerzos, teniendo que

en los soportes del asiento del piloto como en la dirección el esfuerzo máximo

de tensión () de Von Mises es de 307.1 𝑀𝑃𝑎, siendo un valor muy por debajo

60

del límite elástico de fluencia (Sy) del acero AISI 4130 que se encuentra entre

480 y 590 MPa de acuerdo a la tabla 2, por lo que la estructura no falla por

fatiga.


Para calcular el factor de seguridad se relaciona la resistencia de fluencia

𝑆𝑦 del acero AISI 4130 mostrado en la tabla 2 con el esfuerzo máximo

calculado que es de 307 𝑀𝑃𝑎.

Aplicando al ecuación 8 se tiene:

𝑛 =𝑆𝑦

𝜎

𝑛 =480 [𝑀𝑃𝑎]

307 [𝑀𝑃𝑎]

𝑛 = 1.563

Si 𝑛 es mayor a 1 entonces la estructura no falla por fatiga.

4.8.4. DESPLAZAMIENTOS RESULTANTES

Los desplazamientos resultantes hacen referencia a las desviaciones

vectoriales que se encuentran en una estructura, en este caso en el chasis.

Figura 45. Captura de desplazamientos del chasis en SolidWorks

61

En cuanto a los valores de desplazamiento, en la figura 45 se logra apreciar

que la estructura genera los mayores desplazamientos en la parte frontal del

chasis con un valor de 3.218 x10-4 mm lo cual no lo hace un valor significativo

para afectar la resistencia del chasis.

4.8.5. DEFORMACIÓN UNITARIA AQUIVALENTE

Estos desplazamientos refieren a la cantidad de deformación que el chasis

soporta en momento de un desplazamiento del go kart, esta deformación es

absorbida por el acero estructural otorgando estabilidad e impidiendo que el

go kart pierda adherencia de los neumáticos sobre el asfalto.

El análisis de los valores de la deformación del chasis se analizó utilizando los

datos de la figura 46.

Figura 46. Captura de deformación unitaria

Con el análisis del resultado indicado en la figura 46, se muestra que el chasis

tiende a sufrir una deformación en los soportes tanto de la dirección como del

asiento, pero este valor es de 1.189x10-003 siendo un valor no significativo que

pueda influenciar en el desempeño del go kart.

62

4.9. DISEÑO DEL CHASIS CON VELOCIDAD MÁXIMA EN

CURVA

Las fuerzas de inercia que se generan al tomar una curva a máxima velocidad

con el go kart fueron desarrolladas en la sección 4.4 y aplicaremos sus datos

en la simulación siguiente.

4.9.1. ASIGANCIÓN DE CARGAS

Las cargas determinadas en la sección 4.4.1 y 4.4.2, cuando el go kart realiza

una curva con su velocidad máxima, el chasis deberá soportar las siguientes

cargas:

𝐹𝑝.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 900 𝑁

𝐹𝑚.𝑐𝑢𝑟𝑣 = 225 𝑁

𝑊𝑝 = 997.5 𝑁

𝑊𝑚 = 332.5 𝑁

𝑊𝑐ℎ = 266 𝑁

𝐹𝑒𝑚 = 957.6 𝑁

𝑇 = 143.64 𝑁𝑚

Figura 47. Captura de aplicación de cargas en SolidWorks

63

4.9.2. ESFUERZO VON MISES

Empleando la ecuación 7, el software nos genera el cálculo del esfuerzo

máximo de tensión de Von Mises.

Figura 48. Captura de esfuerzo de Von Mises en SolidWorks

La figura 48 indica los resultados del análisis de los esfuerzos soportados por

el chasis en curva a velocidad máxima, teniendo que en los soportes del

asiento del piloto como en la dirección el esfuerzo máximo de tensión () de

Von Mises es de 82.13 𝑀𝑃𝑎, siendo un valor muy por debajo del límite elástico

de fluencia (Sy) del acero AISI 4130 que se encuentra entre 480 y 590 MPa,

por lo que la estructura no falla por fatiga cuando es sometida a curvas en

velocidad máxima.

4.9.3. DESPLAZAMIENTOS RESULTANTES

Los desplazamientos resultantes hacen referencia a las desviaciones

vectoriales que se encuentran en una estructura, en este caso en el chasis del

go kart cuando toma una curva a su máxima velocidad.

64

Figura 49. Desplazamientos del chasis en curva con velocidad máxima.

En cuanto a los valores de desplazamiento, en la figura 49 se logra apreciar

que la estructura genera los mayores desplazamientos en la parte frontal del

chasis con un valor de 3.230 x10-4 mm lo cual no lo hace un valor significativo

para afectar la resistencia del chasis cuando tome una curva con su máxima

velocidad.


Para calcular el factor de seguridad se relaciona la resistencia de fluencia

𝑆𝑦 del acero AISI 4130 que se indica en la tabla 2, con el esfuerzo máximo

determinado que es de 82.13 𝑀𝑃𝑎.

Determinamos el factor de seguridad con la ecuación 8.

Se tiene:

𝑛 =𝑆𝑦

𝜎

𝑛 =480 [𝑀𝑃𝑎]

82.13 [𝑀𝑃𝑎]

𝑛 = 5.85

Si 𝑛 es mayor a 1 entonces la estructura no falla por fatiga, por tanto el chasis

no fallara en el momento de máxima velocidad en curva.

65

4.10. ANÁLISIS AERODINÁMICO DEL GO KART

Una vez analizadas las cargas que actúan sobre la estructura del go kart, y

ubicados los guardachoques en su posición, es necesario realizar un análisis

aerodinámico del monoplaza, con lo cual se pueda conocer factores de

resistencia del aire y su afectación en competencia.

4.10.1. RESISTENCIA DEL AIRE

El go kart se mueve a una velocidad máxima de 100 km/h, la cual va a ser la

velocidad del aire, para el área frontal del go kart utilizaremos las figuras 50 y

51, una vez determinados esos valores procedemos a aplicar la ecuación 9 y

obtenemos los resultados de la resistencia del aire.

Figura 50. Vista frontal de go kart

1.2m

66

Figura 51. Vista lateral de go kart


𝑅𝑎𝑓 =1

2𝐶𝑥 ∗ 𝑝 ∗ 𝐴𝑓 ∗ 𝑉2

𝑅𝑎𝑓 =1

2(0.7) ∗ 0.94

𝑘𝑔

𝑚3 ∗ 1.03 𝑚2 ∗ (27.78𝑚

𝑠)2

𝑅𝑎𝑓 = 261.52 [N]

Este resultado se realiza tomando en cuanta un área rectangular basada en

el ancho total del go kart y de su altura mostrados en las figuras 40 y 41;

teniendo que el piloto se encuentra en su posición de manejo.

4.11. PRUEBAS DE CAMPO

Luego de culminar el proceso de fabricación de la estructura y el montaje de

todos los elementos que conforman el go kart, se procedió a realizar pruebas

de campo las cuales permitan verificar el funcionamiento y determinar la

eficiencia tanto de la estructura como de los demás sistemas.

Se utilizó la pista de go karts ubicada en el valle de los chillos con la finalidad

de probar el desenvolvimiento del chasis en condiciones de conducción

normales las cuales permiten una conducción ligera para luego pasar con las

0.86 m

67

condiciones más extremas con las cuales fue diseñado el chasis las cuales

son aceleración y frenado bruscas para esto se intenta alcanzar la aceleración

máxima y un frenado brusco, luego tomamos curvas a máxima velocidad.

Culminado las pruebas de campo se obtienen los siguientes resultados:

Estabilidad:

El chasis responde de manera eficiente en condiciones normales y extremas,

lo cual implica estabilidad en curvas y rectas.

Maniobrabilidad:

Al momento de conducirlo y tomar curvas el chasis nos permite una gran

maniobrabilidad con la velocidad que se alcanza en el circuito.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

68

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1. CONCLUSIONES

Al analizar detenidamente le reglamento de la FIA para el Karting se llega

a la conclusión de que es primordial reconocer los requerimientos y

exigencia de la categoría en la cual se vaya a participar para evitar posibles

descalificaciones.

Culminado el diseño de la estructura del go kart se determinó que el sobre

el chasis actúan varias cargas y esfuerzos para lo cual el diseño debe ser

el más minucioso ya que las cargas sobrepasan los 900 N.

Con la construcción del bastidor se concluye que el proceso de soldadura

por arco MIG/MAG es el más adecuado en cuanto se requiera calidad del

cordón de soldadura y estética del mismo.

En cuanto a la seguridad de la estructura, el cálculo del factor de seguridad

nos determinó que la estructura trabajara de una manera adecuada sin

producirse un fallo por fatiga del material seleccionado.

Ya con las pruebas de campo efectuadas en la pista ubicada en el valle de

los chillos, se llegó a concluir que es indispensable que la estructura no

tenga articulaciones ya que puede llagar a ocasionar daño al piloto por las

velocidades alcanzadas y los esfuerzos generados.

69

5.2. RECOMENDACIONES

Se recomienda en un futuro realizar futuras investigaciones que permitan

lograr mayores velocidades con seguridad que la estructura resistirá las

cargas.

Siempre al momento de diseñar una estructura tubular para competición,

se debe consultar un reglamento vigente el cual proporciones datos y

requerimientos técnicos los cuales bases el trabajo de diseño.

Al momento de diseñar cualquier estructura es primordial el cálculo de un

factor de seguridad el cual debe ser mayor que 1 lo cual garantiza que la

estructura no llegara a fallar por fatiga del material sea cual sea este.

BIBLIOGRAFÍA

70

BIBLIOGRAFÍA

Aceros Fortuna. (2016). CARPENTER. Obtenido de

http://www.acerosfortuna.com.mx/hojas_tecnicas/aceros_de_baja_ale

acion/4130.pdf

Agudo, D. (2013). ¿Cómo diseñar un coche para que consuma cada vez

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ANEXOS

72

ANEXOS

ANEXO 1

REGLAMENTO TÉCNICO DE KARTING

86

ANEXO 2

VISTA AÉREA DE LA PISTA GO KART EN EL VALLE DE

LOS CHILLOS

87

ANEXO 3

PLANOS Y DIMENSIONES DEL CHASIS

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