proyecto fin de carrera ingeniería...

Equation Chapter 1 Section 1

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Industrial

Diseño, cálculo y fabricación de un subchasis

avanzado en fibra de carbono

Autor: Enrique Álvarez Rodríguez

Tutores: Elena Correa Montoto

Tutores: Jesús Justo Estebaranz

Dep. Mecánica de los Materiales Continuos

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Industrial

Diseño, cálculo y fabricación de un subchasis

avanzado en fibra de carbono

Autor:

Enrique Álvarez Rodríguez

Tutores:

Elena Correa Montoto

Jesús Justo Estebaranz

Dep. de Mecánica de los Materiales Continuos

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016

Proyecto Fin de Carrera: Diseño, cálculo y fabricación de un subchasis avanzado en fibra de carbono

Autor: Enrique Álvarez Rodríguez

Tutores: Elena Correa Montoto

Jesús Justo Estebaranz

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2016

El Secretario del Tribunal

A Enrique y Asun,

a Elena y Jesús

y a Antonio Páez

Agradecimientos

Este proyecto va primeramente dedicado a mis padres, Enrique y Asun, pues si he conseguido algo en esta

vida ha sido gracias a ellos, no sólo por la educación recibida, sino por el todo cariño presente detrás de cada consejo, con el único anhelo de conseguir lo mejor para mí.

En segundo lugar a todos mis profesores a lo largo de este trayecto, pero muy en particular a Elena y Jesús,

cuya paciencia infinita y dedicación han hecho posible terminar esta etapa de una manera tan satisfactoria y

gratificante. Igualmente, agradecer a todo el departamento el apoyo ofercido.

Agradecer a todo el equipo US-R Engineering todo lo que me ha dado, como ingeniero y como persona.

Gracias por esta experiencia inigualable que siempre irá conmigo.

A mis compañeros y amigos, los cuales habrán sido probablemente los mayores sufridores de este tramo y, sin duda alguna, el gran apoyo necesario para completarlo. Ellos saben quiénes son.

Por último, me gustaría dedicarle también este proyecto a Antonio José Páez Mauriño, la persona que me

enseñó cómo enfrentarme a los problemas cuando parece que las cosas se ponen difíciles, cuyo consejo ha sido muy útil a lo largo de este camino y no sólo para mis estudios.

Muchas gracias a todos ellos.

Enrique Álvarez Rodríguez

Sevilla, 2016

Resumen

La memoria aquí expuesta desarrolla el proyecto realizado por el autor, consistente en el diseño, cálculo,

optimización y fabricación de un subchasis para una motocicleta de competición utilizando un material

compuesto de fibra de carbono y resina epoxi.

El objetivo principal será el desarrollo de una estructura que soporte las posibles cargas generadas por el peso y el estilo de conducción de un piloto de motocicletas de competición. A esta estructura se la denomina

subchasis y formará parte de un prototipo real de competición creado por el equipo US-R Engineering para

competir en la trecera edición de la competición mundial Motostudent.

El proyecto comprende una parte teórica y una parte práctica. La componente teórica está constituida por el

diseño geométrico de la estructura, condicionado por límites geométricos fijados tanto por las normas de la

competición como por el resto de componentes de la motocicleta; por la simulación de ensayos reales de

carga, útiles para el cálculo teórico de esfuerzos y desplazamientos en los distintos puntos de la estructura que será realizado utilizando el método de elementos finitos; y por la planificación de la fabricación, de manera

que se consiga optimizar el material empleado y se asegure la futura integridad de la estructura.

La parte práctica, consistente en todo el proceso llevado a cabo para la fabricación real del prototipo y los ensayos realizados sobre el mismo, queda detallada igualmente en la memoria, sirviendo de guía para

proyectos futuros. En ella se exponen las diferentes etapas necesarias para la fabricación de materiales

compuestos junto con los diferentes resultados obtenidos.

La participación en las pruebas impuestas por la competición, las diferentes tecnologías aprendidas de los

diferentes equipos y la experiencia obtenida tras la finalización del proyecto, ayudan a ofrecer una visión con

una perspectiva diferente sobre las direcciones que podría haber tomado el proyecto aquí expuesto, lo cual

queda reflejado en los párrafos finales.

Abstract

The dissertation in this document describes the project developed by the author, which involves the design,

calculation, optimization and manufacturing of a subchassis for a competition motorcycle using a carbon fibre

and epoxy composite material.

The main objective will be the development of a structure able to stand the charges generated by a motorcycle racing pilot weight and riding style.This structure is named subchassis and will be part of a real competition

prototype created by the team US-R Engineering to take part in the third edition of the worldwide competition

Motostudent.

The project has a theoretic and a pratcial part. The theoretic component consists of the structure geometrical

design, limited by the geometrical boundaries imposed by both the competition rules and the other motorcycle

components; it also consists of the simulation of real life forzes to calculate the stresses generated in the

structure using the finite elements method; and the manufacturing planning, trying to optimize the material used and to asure the structure integrity.

The practical component consists of the structure manufacturing process and the tensile tests made. This part is

also described in this dissertation, being useful as a guide for future projects. It shows the different steps followed and the results of the project.

All the different challenges occurred during the competition, the different learned technologies and the project

experience help to offer a different perspective of the multiple ways this project could have been developed through. This is stated in the final pages of this document.

Índice

Agradecimientos ix

Resumen xi

Abstract xiii

Índice xiv

Índice de Tablas xvi

Índice de Figuras xviii

Notación xxii

1 Introducción 23 1.1 Objetivos 23 1.2 Estructura del proyecto 24 1.3 Motocicleta de competición 26

1.3.1 Motostudent 26 1.3.2 Partes de una motocicleta 27

1.4 Subchasis 31 1.4.1 Elección del material 32

1.5 Diseños previos 33 1.5.1 Edición I 33 1.5.2 Edición II 35

1.6 Justificación de los objetivos del proyecto 37

2 Diseño y optimización 39 2.1 Adaptación de la geometría 39

2.1.1 Modelos de CATIA 39 2.1.2 Modelo definitivo 49

2.2 Diseños adicionales 56 2.2.1 Pestañas 56 2.2.2 Molde 56

3 Cálculo de elementos finitos 59 3.1 Método de los Elementos Finitos 59 3.2 Modelo de elementos finitos 60

3.2.1 Interfaz de ABAQUS 60 3.2.2 Definición del material 61 3.2.3 Modelo Shell 63 3.2.4 Definición del laminado por intersecciones 63 3.2.5 Posicionamiento en el espacio 65 3.2.6 Ensayos de carga 66

3.3 Resultados 70 3.3.1 Ensayos sin cierre trasero 70 3.3.2 Ensayos con cierre trasero 73

3.4 Resumen de la etapa pre-fabricación. 75

4 Fabricación 79

4.1 Etapas 79 4.2 Planificación de la fabricación 80

4.2.1 Maqueta 80 4.2.2 Definición del corte del material 80

4.3 Laminado y bolsa de vacío 83 4.3.1 Apilado de las barras laterales del subchasis 83 4.3.2 Autoclave 88 4.3.3 Rebordeado de filos 90 4.3.4 Última capa de tejido 90 4.3.5 Montaje 91

5 Motostudent 93 5.1 El subchasis en la competición 93 5.2 Aprendizaje en la competición 94

6 Conclusiones y desarrollos futuros 95 6.1 Conclusiones 95 6.2 Desarrollos futuros 97

Referencias 98

Anexos 100

Anexo A 101

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1-1 Resumen de las diferentes fases de la competición 27

Tabla 1-2 Tabla resumen de un material compuesto de fibra de carbono y resina epoxi 32

Tabla 1-3 Tabla comparativa de las propiedades de múliples materiales 33

Tabla 3-1 Propiedades de la cinta 62

Tabla 3-2 Propiedades del tejido 62

Tabla 3-3 Tabla resumen de las secciones generadas por la solapación de diferentes barras en los laterales y el aseinto del subchasis (T60 – Barra delantera del asiento; T80 – Barra trasera del asiento). 64

Tabla 4-1 Resumen de las láminas necesarias para el laminado de cada barra (T60 barra delantera del asiento,

T80 barra trasera del asiento) 80

ÍNDICE DE FIGURAS

Ilustración 1-1 Prototipo de competición del equipo US-R Engineering para Motostudent 2014 28

Ilustración 1-2 Diseño del chasis cercano al prototipo final 29

Ilustración 1-3 Modelo 3D del bloque motor prporcionado por la organización 29

Ilustración 1-4 Estudio del flujo de fluido realizado por el equipo 30

Ilustración 1-5 Colín fabricado a mano por el equipo US-R Engineering 31

Ilustración 1-6 Subchasis de la primera edición (perfil) 34

Ilustración 1-7 Subchasis de la primera edición (planta) 34

Ilustración 1-8 Subchasis de la segunda edición 35

Ilustración 1-9 Esquema en 2D de la estructura lateral del subchasis 36

Ilustración 2-1 Prototipo de competición del equido KTM para el mundial de Moto3 2014 40

Ilustración 2-2 Restricciones dimensionales impuestas por la competición (perfil) 40

Ilustración 2-3 Restricciones dimensionales impuestas por la competición (planta) 41

Ilustración 2-4 Sketch base 42

Ilustración 2-5 Primer modelo de subchasis 42

Ilustración 2-6 Primer modelo de subchasis de la vertinte con el asiento rectangular (SAR) 43

Ilustración 2-7 Primer modelo de subchasis de la vertinte con el asiento no rectangular (SANR) 43

Ilustración 2-8 Modelo previo al uso del Sketch base junto a la agrupación chasis/motor 44

Ilustración 2-9 Modelo con asinto curvado 44

Ilustración 2-10 Primera evolución de la vertiente de modelos de asiento SAR 45

Ilustración 2-11 SAR divido en los distintos laminados de la pieza 45

Ilustración 2-12 Diferentes fases de laminado de SAR 46

Ilustración 2-13 SAR dividido en los distintos laminados de la pieza 46

Ilustración 2-14 SAR 47

Ilustración 2-15 Diferentes fases de laminado de SAR 48

Ilustración 2-16 Diseño definitivo junto al resto de la estructura de la motocicleta. 48

Ilustración 2-17 Entornos de trabajo de CATIA 49

Ilustración 2-18 Árbol genealógico de la estructura 50

Ilustración 2-19 Ventana de definición de nuevos parámetros 50

Ilustración 2-20 Parámetros ya presentes en el árbol genealógico 51

Ilustración 2-21 Sketch base definitivo junto con las herramientas más significativas del entorno de dibujo 51

Ilustración 2-22 Set geométrico 53

Ilustración 2-23 Sketch constructivo de las barras alterales del subchasis 53

Ilustración 2-24 Sketch de la estructura completa 54

Ilustración 2-25 Modelo definitivo 55

Ilustración 2-26 Evolución del subchasis tras la solapación de sus barras estructurales 55

Ilustración 2-27 Cogidas de las barras laterlaes derechas del subchasis 56

Ilustración 2-28 Diseño 3D del molde para fabricación de la pieza 57

Ilustración 3-1 Entorno gráfico de ABAQUS 61

Ilustración 3-2 Ventana para la introducción de las propiedade del material 62

Ilustración 3-3 Diseño del lateral del subchasis en ABAQUS 63

Ilustración 3-4 División del lateral en las secciones generadas por la solapación de barras 64

Ilustración 3-5 División del asiento en las secciones generadas por la solapación de barras 64

Ilustración 3-6 Herramienta de definición del laminado de ABAQUS 65

Ilustración 3-7 Ensamblaje completo del subchasis 66

Ilustración 3-8 Mallado del lateral de la estructura 67

Ilustración 3-9 Condiciones de contorno 68

Ilustración 3-10 Representación gráfica de la carga en forma de presión distribuida sobre el asiento del

Subchasis 69

Ilustración 3-11 Representación gráfica del funcionamiento del MPC 69

Ilustración 3-12 Representación del ensayo de garga lateral usando el método de MPC 70

Ilustración 3-13 Representación a escala de la deformación sufrida por la estructura debido a la carga superior

sin cierre trasero junto con parte de los valores de tensión obtenidos (valores de tensión absolutos en la

dirección de la fibra) 71

Ilustración 3-14 Representación de los concentradores de tensión 72

Ilustración 3-15 Representación a escala de la deformación sufrida por la estructura debido a la carga lateral

con cierre trasero junto con el concentrador de tensiones generado por la falta de homogeneidad del mallado. 73

Ilustración 3-16 Diferentes diseños creados para la solución del cierre trasero 74

Ilustración 3-17 Sketch base 75

Ilustración 3-18 Diseño definitivo junto al resto de la estructura de la motocicleta. 76

Ilustración 3-19 Deformación del subchasis a escala tras usar el cierre trasero 78

Ilustración 4-1 Distribución del corte de las láminas a 0º 81

Ilustración 4-2 Distribución del corte de las láminas a 90º 82

Ilustración 4-3 Muestra del corte del laminado 82

Ilustración 4-4 Proceso de laminado en plano 83

Ilustración 4-5 Proceso de laminado en plano 84

Ilustración 4-6 Adaptacion del laminado en plano al molde 84

Ilustración 4-7 Laminado sobre el molde barras T60, T80, B 85

Ilustración 4-8 Laminado sobre el molde barras T60, T80, B, A 85

Ilustración 4-9 Laminado sobre el molde barras T60, T80, B, A, C 85

Ilustración 4-10 Laminado sobre el molde barras T60, T80, B, A, C, D 86

Ilustración 4-11 Laminado completo 86

Ilustración 4-12 Bolsa de vacío del primer intento 87

Ilustración 4-13 Sellado de aristas co corcho para evitar que la reina fluya en exceso 87

Ilustración 4-14 Recubrimiento con teflón 87

Ilustración 4-15 Bolsa de vacío segundo intento 88

Ilustración 4-16 Primer modelo dentro de el autoclave 88

Ilustración 4-17 Primer subchasis tras salir de el autoclave. 89

Ilustración 4-18 Estructura definitiva tras separarla finalmente del molde de acero de 4mm 89

Ilustración 4-19 Estructura tras retirar el corcho 90

Ilustración 4-20 Recubrimiento de la última capa de tejido 91

Ilustración 4-21 Rebordeado de filos y taladro de los orificios de anclaje 91

Ilustración 4-22 Montaje del subchasis 92

Ilustración 4-23 Estructura de la motocileta al completo 92

Notación

cc Centímetros Cúbicos

4T Cuatro Tiempos

MPC Multi Point Constraint

MEF Método de los Elmentos Finitos

LERM Laboratorio de Elasticidad y Resistencia de los Materiales

ETSI Escuela Técnica Superior de Ingeniería

SAR Subchasis Asiento Rectangular

SANR Subchasis Asiento No Rectangular

PBL Plano Barras Laterales

GDL Grados De Libertad

1 INTRODUCCIÓN

n este capítulo se detalla el objetivo del proyecto. Se estudian cuáles son y qué función tienen los

principales componentes de una motocicleta de competición. Se toman como referencia los subchasis diseñados para las ediciones previas de la competición Motostudent y se estudian los subchasis usados

en las motocicletas de competición de la categoría Moto3 (250cc), refiriéndose de ahora en adelante a

competición como el motociclismo de velocidad. Se hace una comparativa entre el antecedente más directo y el nuevo subchasis que se va a diseñar. Se presentan los requisitos generales que debe cumplir el diseño para

poder participar en la tercera edición de la competición Motostudent. Y se finaliza con la explicación de cómo

se va a organizar la información recogida en el presente proyecto.

1.1 Objetivos

El objetivo de este proyecto es el desarrollo de una estructura que soporte las posibles cargas generadas por el

peso y el estilo de conducción del piloto de una motocicleta de competición y las transmita a la estructura

primaria de la motocicleta. A esta estructura se la denomina subchasis.

Esto se conseguirá a través de la optimización de modelos anteriores, intentando mejorar el proyecto tanto en términos de cálculo como estructurales y de fabricación. El desarrollo de dicho subchasis comprenderá una

parte teórica constituida por el diseño geométrico, el cálculo teórico de esfuerzos y desplazamientos en los

distintos puntos de la estructura y la planificación de la fabricación; y una parte práctica, en la que se describirán la fabricación real del prototipo y los ensayos realizados sobre el mismo.

Hay que señalar que esta motocicleta constituye parte de un proyecto completo desarrollado por el equipo US-

Racing Engineering, por lo que todo el diseño del subchasis estará condicionado por límites geométricos fijados por el resto de componentes de la motocicleta. El prototipo de esta motocicleta se ajusta a su vez a la

normativa de la competición Motostudent 2014 en la cual el equipo participó y en la que se entrará en detalle

más adelante.

Con idea de focalizar el objetivo del presente proyecto, se comienza dando una visión global de todo aquello que afecta al diseño y fabricación de la estructura objetivo. Ello implica la descripción de los distintos

componentes más relevantes de una motocicleta de competición y una breve introducción en el mundo del

motociclismo de competición, en particular de la ya mencionada competición Motostudent. Todo esto será desarrollado en el presente capítulo, el cual, como su propio nombre indica, constituye la introducción al

proyecto.

E

Si tuviera mil ideas y sólo una resultase ser buena,

estaría satisfecho.

- Alfred Nobel -

Introducción

24

1.2 Estructura del proyecto

Este apartado pretende ofrecer una visión general de la estructura que sigue la memoria del proyecto aquí

expuesto.

En este capítulo introductorio se ha expuesto ya el objetivo del proyecto, donde, sin entrar en mucho detalle, se le explica al lector cuáles fueron las metas que motivaron la realización del proyecto. Tras este apartado, se

expone una breve introducción al mundo de las motocicletas, desde su definición más sencilla a las

características y objetivos de aquellos prototipos destinados a la competición.

Posteriormente, se presenta la competición Motostudent, donde competirá la motocicleta de la cual formará parte la estructura producto de este trabajo. Se comenta el origen de la competición, se da una visión general

de dónde, qué y cómo ocurre y se redacta un resumen de las pruebas que tendrá que superar el equipo US-R

Engineering una vez allí.

A continuación se definen algunos de los componentes de la motocicleta que interferirán con el subchasis y

cómo lo hacen, seguidos de una definición del subchasis en sí y una justificación de por qué se fabricará en un

material compuesto de fibra de carbono y resina epoxi.

Cerca de la finalización del capítulo se realiza un resumen de los prototipos creados para las ediciones anteriores, señalando aquellos aspectos aprendidos de ellos, y que pudieron ser aprovechados, y aquellos fallos

que no debían volverse a cometer. El análisis del modelo de la edición anterior se realiza más en profundidad,

pues el presente proyecto consiste en la optimización y mejora de dicha estructura. Se analizan principalmente su tipo de geometría estructural y el laminado empleado en las diferentes partes de la pieza.

Por último, se expone una justificación del proyecto, explicando por qué se trata de una optimización, cómo se

conseguirá y dónde se añadirá valor.

El siguiente capítulo se centra en el diseño de la geometría de la pieza en 3D. Se detalla toda la evolución del

diseño tanto del subchasis, como del resto de componentes necesarios para su fabricación y su anclaje al

chasis.

Se comienza mostrando el progreso de los diferentes modelos 3D creados con el programa CATIA y los motivos de dicha evolución. Utilizando las restricciones fijadas por la competición, por el mismo piloto y

algunas impuestas por la geometría general de las motocicletas de competición, se comienza dando forma a un

modelo que derivará en diferentes vertientes hasta llegar a un modelo definitivo que consiga tanto acomodarse a todas las restricciones necesarias, como al resto de componentes de la motocicleta que se encuentran a su

alrededor.

Seguidamente, se explica en detalle el uso del programa para llegar al modelo final y definitivo y cuáles son sus características. Éste ayuda igualmente a planificar la fabricación y el laminado de la pieza, aportando una

muestra visual de cómo se solaparían los diferentes laminados. Por último, se mencionan los detalles más

relevantes del diseño de los componentes adicionales diseñados.

El tercer capítulo expone todo lo relevante respecto al cálculo de la estructura a través del método de elementos finitos, también definido. Este capítulo ofrece un desarrollo detallado de los pasos seguidos para

poder realizar el cálculo de la estructura con el software utilizado, debido a que para poder conseguir un

resultado fiable han de definirse múltiples geometrías, variables, restricciones y demás parámetros.

Se simularán dos ensayos de carga distintos utilizando diferentes metodologías para asegurar resultados

coherentes. Los primeros resultados conducen el proyecto a una mejora de la estructura para paliar algunos

posibles fallos futuros de la pieza.

Finalmente, se ofrece un resumen detallado de las características definidas y conseguidas de la estructura a través de todo el diseño y cálculo digital, útil para obtener una idea detallada de la geometría del modelo y sus

características estructurales en unas breves líneas.

A continuación, el cuarto capítulo relata las diferentes etapas completadas en la fabricación del subchasis, desde su planificación hasta que se saca de el autoclave. Así mismo, expone la importancia de cada una de las

fases de la fabricación, donde el objetivo final es conseguir optimizar la utilización de material a la vez que se

consigue una estructura capaz de ofrecer el rendimiento deseado. Este capítulo también menciona los errores cometidos a lo largo del proceso de fabricación, de manera que sirvan de guía o consejo para la creación de los

25 Diseño, cálculo y fabricación de un subchasis avanzado en fibra de carbono

prototipos venideros.

El penúltimo capítulo trata de un breve resumen de los acontecimientos transcurridos a lo largo de la

competición, resaltando principalmente el papel del subchasis en ella y las diferentes tecnologías aprendidas

relativas al mundo de los materiales compuestos.

Para finalizar, el proyecto presenta un capítulo que recoge las conclusiones obtenidas tras la realización y

finalización del proyecto, junto con las posibles mejoras que podrían ser implementadas en modelos futuros.

1.3 Motocicleta de competición

En este apartado se detallarán los distintos elementos y sistemas más relevantes que forman parte de una

motocicleta de competición igual o similar a los prototipos que compiten en la categoría mundial Moto3 y

Motostudent.

La definición más simple de motocicleta reza “vehículo automóvil de dos ruedas, con uno o dos sillones y, a

veces, con sidecar” dictada por la RAE [1], aunque una definición más completa y semejante a lo que se quiere

dar a entender en este proyecto sería la que ofrece la Dirección General de Tráfico (DGT): “Es un vehículo de

dos ruedas impulsado por un motor. El cuadro y las ruedas constituyen la estructra fundamental del vehículo. La rueda directriz es la delantera y la rueda motriz es la trasera” [2].

Dicho esto, el motociclismo de velocidad se entiende como la competición cuyo objetivo principal suele ser

recorrer una determinada distancia en el menor tiempo posible, disputada en circuitos de carreras, rutas pavimentadas o pistas, pilotando una motocicleta. Las características y diseño de las motocicletas dependerán

de la normativa de cada competición particular, aunque deben presentar una serie de prestaciones minimas en

algunos sectores como pueden ser la velocidad, tanto en recta o velocidad punta, como en paso por curva,

estabilidad, resistencia al aire, frenada, aceleración y peso [3]. De nuevo, dependiendo de la competición, pueden participar prototipos específicos de competición o modelos de series con ciertas modificaciones para

mejorar sus prestaciones.

En este caso, las motocicletas serán prototipos que seguirán ciertas restricciones geométricas, estructurales y de algunos otros ámbitos, establecidas por el reglamento de la competición. Para asegurar una competición

más igualada, todas ellas tendrán el mismo motor.

1.3.1 Motostudent

Motostudent es una competición de motociclismo de velocidad promocionada por Moto Engineering Foundation & TechnoPark MotorLand organizada para equipos de estudiantes universitarios de todo el

mundo.

El objetivo es diseñar, fabricar y evaluar un prototipo de motocicleta de competición de cilindrada equivalente

a la de la competición mundial Moto3, con un motor de 250 centímetros cúbicos (cc) y cuatro tiempos (4T). Dicho prototipo compite, tras su evaluación pertinente, en unas jornadas que se llevan a cabo en el circuito de

velocidad MotorLand en Aragón.

Para el propósito de esta competición, cada equipo universitario debe considerarse integrado en una empresa fabricante de motocicletas de competición, para desarrollar y fabricar un prototipo bajo unos condicionantes

técnicos y económicos dados.

La competición en sí misma representa un desafío para los estudiantes, quienes tendrán que demostrar su

creatividad y capacidad de innovación junto a la habilidad de aplicar sus cualidades desarrolladas como ingenieros compitiendo contra universidades de alrededor de todo el mundo durante un periodo de dieciocho

meses.

1.3.1.1 Fases de la competición

Las motocicletas son juzgadas en una serie de pruebas, que incluyen: exposiciones orales y de “stand”,

inspecciones técnicas, demostraciones dinámicas, etc. Para poder evaluar y puntuar los proyectos, la competición tiene un proceso de selección por fases.

Para que las motocicletas y proyectos entren en competición o concurso deben cumplir los requisitos previos

de resistencia, seguridad y funcionamiento indicados en el reglamento técnico. Dichos requisitos se encuentran incluidos dentro del reglamento de la competición, el cual se presenta como Anexo A al presente documento.

Los equipos que superan estos requisitos, compiten en la fase MS1, en la cual se evalúa el proyecto bajo el

punto de vista industrial con especial atención a aspectos estéticos, técnicos y económicos. Esta evaluación,

con sus criterios, jurado y premios se indican igualmente en el Anexo A de este documento.

Las motocicletas que superan estas pruebas participan en la fase de pruebas dinámicas denominada MS2.


Para la valoración final se desarrolla una carrera en la que los participantes han de ser pilotos federados de

copas de promoción, mayores de 18 años y que no hayan participado en ninguna competición en los últimos 5

años. Los pilotos serán seleccionados por los equipos participantes y aprobados por la organización. Las

pruebas y su valoración se encuentran definidos en el Anexo A anteriormente mencionado.

En la Tabla 1-1 se muestra a modo de resumen las distintas fases de la competición que se acaban de describir.

Tabla 1-1 Resumen de las diferentes fases de la competición

Excluyente Puntuable

Previas al evento Sí

Verificaciones técnicas

previas Sí No

Fase MS1 (Diseño e innovación)

Sí Sí

Fase MS1

(Industrialización) Sí Sí

Fase MS2 (Pruebas dinámicas)

Sí Sí

Fase MS2 (Carrera) Sí Sí

Todos los equipos participantes para ser evaluados en cualquiera de las categorías deben superar el nivel mínimo tanto en MS1 como en MS2, es decir, ningún equipo puede fijarse como objetivo participar en una

sola de las categorías, ya que este hecho conculca el espíritu mismo de la competición.

1.3.2 Partes de una motocicleta

Dentro de la infinidad de partes, piezas o componentes de una motocicleta de competición, se expondrán aquí

aquellos que afectan directamente al subchasis objeto del presente proyecto; y serán el chasis, el motor, el airbox, el sistema de suspensión trasera y el colín.

La mayoría de estos componentes intervienen únicamente en la geometría del subchasis, ya que se encuentran

próximos los unos a los otros y habrá que facilitar tanto el cómodo acceso a cada uno de ellos como la integridad de la estructura, asegurando que el funcionamento de uno no afecte al del otro. Además, el chasis y

el colín van unidos al subchasis, en el caso del chasis con más relevancia, ya que las cargas soportadas por el

subchasis son transmitidas a éste.

A contuniación se expone una breve explicación de cada uno de ellos y de cómo interferirán con el subchasis. La Ilustración 1-1 muestra algunas de estas partes señaladas en una imagen del prototipo.

Introducción

28

Ilustración 1-1 Prototipo de competición del equipo US-R Engineering para Motostudent 2014

1.3.2.1 Chasis

El chasis es el elemento estructural principal, éste debe soportar en primera instancia el peso de la moto y el

del piloto o pilotos, el motor y la transmisión y los accesorios necesarios para el funcionamiento de la motocicleta, como por ejemplo los depósitos de gasolina y aceite [4].

Sus funciones son:

- Soporte estructural de la motocicleta, soportando las diferentes cargas a las que la misma se encuentra sometida, comportándose con una determinada rigidez estructural, permitiendo cierto grado de deformaciones

y siempre dentro de los límites elásticos de sus componentes.

- Posicionamiento de los diferentes elementos. El chasis sirve de alojamiento para los diferentes elementos de

la motocicleta y debe aportar puntos de apoyo fijos para el sistema de suspensión y basculante, la horquilla delantera, el motor y todos sus componentes, depósito y carenado. Es por este motivo que el entramado

estructural debe tener una forma tal que permita dar cabida a la gran cantidad de elementos que se fijan al

propio chasis, al mismo tiempo que adopta un compromiso entre espacio y peso.

- Proporcionar una adecuada interacción del piloto con la pista. Es fundamental que una buena geometría

permita absorber las cargas que actúan en la motocicleta, pero también debe conseguir que el piloto reciba

sensaciones de la carretera para complementar su conocimiento de la misma. Asimismo, el chasis debe

favorecer una correcta distribución de pesos, evitando la pérdida de adherencia de alguna de las ruedas y permitiendo un correcto manejo del conjunto, mediante una adecuada localización del centro de gravedad.

Como se ha mencionado anteriormente, es el elemento con mayor interacción con el subchasis, ya que las

cargas soportadas por el subchasis son transmitidas al chasis. Deberán diseñarse unas cogidas para poder anclar el subchasis al chasis y amoldar su geometría para que las cargas sean transmitidas donde mejor pueda

soportarlas el chasis.

La Ilustración 1-2 muestra uno de los chasis diseñados a lo largo del desarrollo del prototipo para la competición objetivo del presente proyecto.

Muelle de

suspensión

Airbox Chasis

Bloque motor


Ilustración 1-2 Diseño del chasis cercano al prototipo final

1.3.2.2 Motor

El motor es el elemento generador del movimiento. Dicho movimiento lo consigue a partir de la expansión de

los gases de la combustión que se produce en su interior, los cuales accionan un mecanismo de biela-manivela,

dando como resultado un movimiento giratorio en el eje de rotación de la manivela denominado cigüeñal.

En cuanto a la afección del motor en el diseño de otros componentes de la moto, resaltar la importancia de

considerar sus dimensiones, su peso y sus vibraciones en el diseño del chasis.

El motor del prototipo de motocicleta diseñado por el equipo US-R Engineering, viene dado por la competición Motostudent. Se trata de un motor de 250cc, 4T.

En relación al subchasis, como se verá más adelante, las cogidas de éste caerán cerca de la toma de admisión,

teniendo que dejar un espacio para poder ensamblar el airbox.

La Ilustración 1-3 muestra el modelo proporcionado por la competición Motostudent para poder trabajar sobre él en el diseño 3D.

Ilustración 1-3 Modelo 3D del bloque motor prporcionado por la organización

Introducción

30

1.3.2.3 Airbox

Como explica el equipo de US-R Engineering en su página [5], realmente se trata del conjunto ram-air y airbox. Es un conjunto de conductos, normalmente fabricados en fibra de carbono para aligerar en peso, cuya

función principal es aumentar la potencia del motor. El ram-air es un conducto que une la entrada de aire en el

morro de la moto con el airbox, y el airbox puede ser básicamente definido como una caja que frena el fluido aumentando su presión y lo introduce en la toma de admisión del motor. El concepto general es sencillo: tratar

de sacar provecho del aire que frena la motocicleta, atrapando parte de éste a gran velocidad para luego

frenarlo en el airbox y así aumentar su presión.

El aire a alta velocidad es muy difícil de controlar y modelar. Las ondas de presión, los flujos laminares y turbulentos, sus cambios con la presión y la temperatura, con la velocidad relativa respecto a las superficies,

son algunas de las variables a tener en cuenta por el equipo a la hora de diseñar el airbox. La Ilustración 1-4

muestra parte del estudio realizado por el equipo.

Ilustración 1-4 Estudio del flujo de fluido realizado por el equipo

Dependendo principalmente de la potencia del motor, el aumento de potencia variará. Los resultados en banco

de potencia obtenidos por el equipo reflejan un incremento de entre 2 y 6 CV de potencia que pueden ser muy bien aprovechados en competición.

En el apartado anterior ya se menciona que la geometría del subchasis será condicionada a no interferir con el

airbox.

1.3.2.4 Sistema de suspensión trasera

En el sistema de suspensión o amortiguación se distingue entre suspensión delantera y suspensión trasera. Ambas tienen el objetivo de transmitir con menor intensidad las variaciones del terreno por el que circula la

motocicleta. Adicionalmente y más importante, su otra función es que la motocicleta mantenga en todo

momento contacto entre la rueda trasera y delantera con el suelo. De esta manera, la transmisión de fuerza que impulsa la motocicleta no se pierde en ningún momento y así la motocicleta puede aprovechar al máximo la

energía que se transfiere desde el motor.

La amortiguación delantera no afecta prácticamente al diseño del subchasis, pero en cambio, las fijaciones de

la amortiguación trasera sí puede que será necesario tomarlas en cuenta, ya que quedarán muy próximas a las del subchasis.

La parte trasera también está formada por un amortiguador y un muelle concéntrico, en algunas ocasiones une

el basculante con el chasis, mientras que en otras, lo hace a través de un mecanismo que permite dar juego a la hora de diseñar la moto. En el caso particular de la suspensión trasera para la competición objeto del presente

proyecto, se trata de un diseño revolucionario creado por Daniel Holloway Campos y está detallado en su


Proyecto Fin de Carrera “Diseño de mecanismo de suspensión trasera flotante para motocicletas de

competición”, el cual consiste en un mecanismo de cuatro barras, el cual le permite que la trayectoria seguida

por la rueda al amortiguar las irregularidades del terreno pueda ser determinada por el diseñador [6].

1.3.2.5 Colín

Por último, el colín es la parte trasera del conjuto del carenado de la motocicleta y va unido al subchasis. Su función es principalmente aerodinámica además de en este caso en particular, dar forma al asiento del piloto.

Normalmente son fabricados en fibra de carbono u otros materiales compuestos, ya que no se trata de un

componente estructural, por lo que se intenta reducir su peso al máximo. La Ilustración 1-5 muestra el colín

fabricado a mano por los componentes del equipo ya montado en la motocicleta.

Ilustración 1-5 Colín fabricado a mano por el equipo US-R Engineering

1.4 Subchasis

Una vez expuestos los principales componentes que afectan directamente al subchasis, se procede a exponer las principales funciones del mismo.

El subchasis es una parte del chasis, cuya definición y funciones se explicaron en el apartado anterior. La

definición y funciones de un subchasis son por ello una particularidad de las correspondientes a un chasis.

El subchasis es un elemento estructural, el cual debe soportar en primera instancia el peso del piloto, el de

algunos accesorios, como el colín, y el suyo propio. El peso del motor y del resto de accesorios son soportados

por el resto de la estructura que constituye el chasis. En el presente proyecto se estudiarán además las posibles

cargas aplicadas sobre el subchasis por el piloto en los diferentes momentos del pilotaje.

En cuanto a sus funciones, se ha de resaltar especialmente la capacidad de proporcionar una adecuada

interacción entre el piloto y la pista, ya que ésta es la estructura que está en contacto directo con el piloto. Por

Introducción

32

este motivo, debe ser una estructura rígida que trasmita las sensaciones de la carretera para que el piloto

complemente su conocimiento de la misma.

1.4.1 Elección del material

A la hora de decidir con qué material fabricar el subchasis hay que tener en cuenta una serie de características

tales como: rigidez, densidad, ductilidad, resistencia, vida a fatiga, costes del material y del proceso y de los métodos de unión disponibles o requeridos. Los valores de estas características dependerán del tipo de uso y el

grado de exigencia que se quiera obtener del subchasis proyectado.

La tensión de rotura (σu) y el límite elástico (σe) del material, se usan para medir la resistencia del subchasis. La tensión se expresa como la fuerza aplicada por unidad de sección transversal del material, y la relación

entre la carga aplicada y la deformación que produce se denomina módulo de Young (E).

En el proyecto previo realizado por Isabel María Fernández Alves se compararon diferentes materiales que fueron acero, aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio, material compuesto (fibra de carbono-epoxi) y

aleaciones de magnesio [7].

En el libro Introducción al análisis y diseño con materiales compuestos [8] se define a los materiales

compuestos como la combinación a escala macroscópica de dos o más materiales con interfases de separación entre ellos para formar un nuevo material.

Las propiedades y el comportamiento del material compuesto, está no sólo condicionado por las propiedades

de cada uno de los elementos aislados (fibra o matriz), sino también por la naturaleza y características de la interfase que se forma entre ambos elementos.

En el caso de fibra de carbono-epoxi. Las fibras se caracterizan por su fragilidad y su recuperación total ante

esfuerzos inferiores a los de rotura. La matriz de resina epoxi tiene como propiedad fundamental, la

termoestabilidad, es decir, tiene buena respuesta al calor ya que no se funde al ser calentada, aunque sí que pierde rigidez a partir de 300 °C.

En la Tabla 1-2 se muestran el Módulo de Young y la resistencia a tracción de la fibra de carbono (PAN Tipo

I), la resina epoxi y el material compuesto fibra de carbono-epoxi.

Tabla 1-2 Tabla resumen de un material compuesto de fibra de carbono y resina epoxi

Materiales Módulo de Young (E) Resistencia a tracción (σu))

Carbono Base PAN Tipo I E11(longitudinalmente) 390 GPa

E22 (Trasversalmente) 12 GPa 2200 MPa

Resina epoxi 3-6 Gpa 35-100 MPa

Fibra de carbono-epoxi E11 = 166 GPa

E22 = 11 GPa

Xt = 2000 MPa

Yt = 60 MPa

Las propiedades principales de este material compuesto son: elevada resistencia mecánica, módulo de

elasticidad elevado, baja densidad (en comparación con otros elementos como por ejemplo el acero). En contraposición está su elevado precio de producción.

Las razones del elevado precio de los materiales realizados en fibra de carbono se deben a varios factores, por

un lado el refuerzo, fibra, es un polímero sintético que requiere un caro y largo proceso de producción. Este

proceso se realiza a alta temperatura (entre 1100 y 2500 °C) en atmósfera de hidrógeno durante semanas o incluso meses dependiendo de la calidad que se desee obtener. Por otro lado el uso de materiales termoestables

(resina epoxi) dificulta el proceso de creación de la pieza final, ya que se requiere de un complejo utillaje

especializado y de una autoclave para el curado del material.


Se trata de un material de uso relativamente reciente. Comenzó desarrollándose en la industria aeronáutica y

aeroespacial y rápidamente tuvo calado en la automovilística (en la Fórmula 1 ha tenido un impacto muy

significativo). En el motociclismo le está costando más entrar a nivel de piezas estructurales, aunque

cíclicamente siempre han aparecido motocicletas de competición que se basaban en él para fabricar el chasis o el basculante. De cualquier manera lleva años instalado como base para la fabricación de carrocerías, tubos de

escape, manetas de freno, soportes, protecciones, y en general piezas que no tienen un compromiso estructural

alto pero donde se puede ahorrar algo de peso.

El coste es la mayor desventaja de algunos materiales como las aleaciones de titanio o el material compuesto

fibra de carbono-epoxi. Debido al ajustado presupuesto del que se dispone para la fabricación del prototipo

completo de motocicleta, el precio constituye un factor importante.

El Laboratorio de Elasticidad y Resistencia de los Materiales (LERM) propuso al equipo US-R Engineering

participar como patrocinador mediante el suministro del material y de los medios necesarios para la

fabricación en el caso de elegir como opción un material compuesto de los que disponen.

La elevada resistencia mecánica, el módulo de elasticidad elevado, la baja densidad, la estética y el hecho de no tener que considerar la desventaja del precio gracias al patrocinio del LERM, hacen de la fibra de carbono-

epoxi el material más apropiado para el diseño y fabricación del subchasis.

La Tabla 1-3 desarrollada por Isabel María proporciona un muy buen resumen comparativo de los distintos materiales disponibles para la fabricación del subchasis y sus características, resaltando por qué la fibra de

carbono es la mejor opción para la fabricación del prototipo objeto del presente proyecto [7].

Tabla 1-3 Tabla comparativa de las propiedades de múliples materiales

Material Densidad - ρ

(kg/m3)

Tensión de

rotura – (σu)

(kgf/mm2)

Módulo de

Young – E

(104 kgf/mm2)

Tensión de

rotura /

densidad (σu/ρ)

Módulo de

Young /

densidad (E/ρ)

Acero 7,8 47-83 2,1 6-10,6 0,27

Aleaciones de aluminio

2,7 17-63 0,7 6,3-23,3 0,26

Aleaciones de

titanio 4,4 47-126 1,2 10,7-28,6 0,27

Fibra de carbono – epoxi

(en la dirección

de las fibras)

1,6 140 0,8 87,5 0,5

Aleaciones de

magnesio 1,7 19-32 0,44 11,2-18,8 0,26

1.5 Diseños previos

En este apartado se describen los diseños de las ediciones anteriores y se explica cómo estos influencian a este diseño en particular. Este subchasis fue creado para competir en la tercera edición de la competición

Motostudent, por lo que habrá dos modelos precedentes.

1.5.1 Edición I

En el caso del primer modelo, se trata del subchasis objeto del proyecto fin de carrera de Justo Márquez

Introducción

34

Linares, titulado “Diseño, cálculo, pruebas de fabricación y fabricación de un subchasis en material compuesto

para una motocicleta de competición” [9], el cual fue presentado en la Escuela Superior de Ingenieros de

Sevilla en Febrero de 2011.

Como se puede observar en la Ilustración 1-6 y la Ilustración 1-7, vistas lateral y frontal respectivamente del subchasis desarrollado por Justo Márquez, el resultado de su proyecto consiste en un subchasis monocasco,

consistente en una estructura continua definida por su geometría.

Ilustración 1-6 Subchasis de la primera edición (perfil)

Ilustración 1-7 Subchasis de la primera edición (planta)

Al ser el primer subchasis fabricado por el equipo, no tener antecedentes directos en la ETSI (Escuela Técnica

Superior de Ingeniería) en los que fijarse para tomar un punto de partida y tratarse de un material relativamente

nuevo como se ha expuesto anteriormente, se emplea gran cantidad de material distribuido en diversas

direcciones para asegurar la fiabilidad de la estructura. Esto convirtió la reducción de material empleado y la optimización de la distribución de la fibra, en los primordiales objetivos del posterior proyecto.

La experiencia en diseño y sobre todo en fabricación del subchasis y de otras estructuras recogidas en el

proyecto de Justo Márquez, pone en preaviso de las complicaciones e imprevistos que pueden presentarse especialmente durante el proceso de fabricación con material compuesto. Toda esta información servirá de

experiencia para los procesos de diseño y fabricación de los proyectos equivalente de la edición posterior y,

por consecuencia, del proyecto aquí expuesto.


1.5.2 Edición II

Debido a que el presente proyecto aquí expuesto representa una optimización del proyecto realizado por Isabel

María Fernández Alves para la segunda edición de Motostudent, titulado “Diseño, cálculo, optimización y

fabricación de un subchasis para una motocicleta de competición” [7], éste se explicará en mayor profundidad,

dando especial importancia a dos puntos fundamentales: la geometría de la estructura y el láminado óptimo para la misma.

Como se ha mencionado anteriormente, el principal objetivo para esta segunda edición era reducir la cantidad

de material empleado y optimizar la distribución de la fibra con respecto al modelo previo. Para ello, con el nuevo diseño de subchasis lo que se pretendía conseguir era un diseño parecido a los modelos existentes de

subchasis fabricados con materiales metálicos como acero o aleaciones de aluminio, ya que se trataban de

estructuras de barras y no monocasco, lo cual ahorra gran cantidad de material al no tener que cubrir toda la superficie que envuelve el volumen del subchasis.

Desde la fase de diseño se debe pensar en la fabricación posterior, para que ésta sea sencilla, y además así,

asegurarse de que es posible fabricarla haciendo uso de los medios disponibles. Gracias a la experiencia previa

de Justo Márquez, para el subchasis de la segunda edición se estableció la idea de una estructura formada por piezas planas y laminado simétrico, evitando así deformaciones debidas a la fabricación.

Todo lo anterior da como resultado una estructura de barras planas, idea a partir de la cual se empezó a dar

forma al diseño del subchasis de la segunda edición, el cual se muestra en Ilustración 1-8.

Ilustración 1-8 Subchasis de la segunda edición

En lo que a su fabricación respecta, cabe resaltar que se laminaron por separado las barras laterales y el asiento

del subchasis, fueron expuestos a su respectivo ciclo de curado en el autoclave y fueron ensamblados y adheridos posteriormente con un potente adhesivo y remaches.

Como se verá en el siguiente apartado, el proyecto de Isabel María Fernández contiene una gran parte de

cálculo previo de estimación de tensiones[7], crucial para poder calcular y comparar diferentes laminados y así finalmente encontrar el óptimo para dicha estructura. Es por ello que, una vez que el laminado y las bases de la

estructura fueron definidos, quedó más lugar en el proyecto aquí expuesto para optimizar el modelo, cuya

justificación se detalla al final de esta sección.

Introducción

36

1.5.2.1 Estructura óptima

Una vez tomada la decisión de crear una estructura de barras, se elaboró un primer diseño, al que se denominó como prediseño o primera aproximación.

Para simplificar el problema y poder hacer estimaciones de tensiones y esfuerzos antes de llegar a un modelo

definitivo, se optó por diseñar esta primera aproximación en 2D, como se observa en la Ilustración 1-9, la cual representa las barras laterales del perfil izquierdo del subchasis, que irían ancladas al chasis en sus nodos 3 y 4,

y servirían de punto de apoyo para el asiento del piloto en los nodos 1 y 2. Esto es posible debido a la simetría

de la estructura.

Este prediseño variaría en función de las distintas restricciones geométricas impuestas tanto por las características generales de una motocicleta de competición, como por las normas de la competición

Motostudent en sí. Las principales variables cuya influencia sobre las tensiones generadas en la estructura

fueron estudiadas son: la distancia entre el anclaje 3 y el 4, el ancho de las barras y los diferentes laminados posibles.

Para hacer la estimación del cálculo de esfuerzos y la comparación de variables, se hizo uso de la teoría

estudiada en la asignatura de Resistencia de Materiales [10] y del formulario generado para la misma, a partir

del cual se obtuvieron las matrices de rigidez [11].

Ilustración 1-9 Esquema en 2D de la estructura lateral del subchasis

A fin de reducir el número de variables libres, se fijaron ciertas variables como la altura y el largo del asiento

(distancia entre los nodos 1 y 2).

Hecho esto y a partir de las tensiones máximas obtenidas para las distintas configuraciones estudiadas, se llegó

a la conclusión en términos estructurales de que la distancia entre los apoyos 3 y 4 debe ser lo mayor posible y que el ancho de las barras debe ser también el mayor posible, siempre dentro de un compromiso para no

sobredimensionar la estructura ni desperdiciar material.

1.5.2.2 Laminado óptimo

Como se mencionó anteriormente, para evitar deformaciones debidas a la fabricación, se optará por un

laminado simétrico. Una vez tomada esa decisión, con la ayuda de la experiencia del departamento y siguiendo los conocimientos obtenidos en la asignatura de Materiales Compuestos, como puede ser el caso de la teoría

general de los laminados para obtener la matriz de comportamiento del mismo [8], se estableció seguir las

Nodo 1

Barra A

Nodo 3

Nodo 4

Barra C

Barra D

Nodo 2

Barra B


siguientes indicaciones:

- Situar las láminas de 0º en las caras exteriores, ya que las tensiones normales longitudinales máximas

se dan en los extremos, y este tipo de láminas son las que soportan mayores tensiones en dicha

dirección.

- Al darse las tensiones tangenciales máximas en la parte central del laminado, en dicha zona se deben

colocar láminas a 45º, pues son las que soportan mejor las tensiones tangenciales.

- Añadir alguna lámina a 90º que contrarreste posibles cargas perpendiculares.

Tras seguir dichas indicaciones y calcular las matrices de rigidez para distintos laminados posibles, se obtiene

el laminado óptimo simétrico de diez capas expuesto a continuación:

[0/90/0/45/-45/-45/45/0/90/0]

Dicho laminado junto con la geometría de la estructura de barras constituyen una sólida base sobre la cual se

desarrolla el proyecto de optimización aquí expuesto.

1.6 Justificación de los objetivos del proyecto

Como bien se ha mencionado anteriormente, el presente proyecto aquí expuesto representa una optimización

del proyecto realizado por Isabel María Fernández Alves. Dicho proyecto contiene gran parte de cálculo previo de estimación de tensiones [7], crucial para poder calcular y comparar diferentes laminados y así

finalmente encontrar el óptimo para dicha estructura. Es por ello que, una vez que el laminado y las bases de la

estructura fueron definidos, quedó más lugar en el proyecto aquí expuesto para optimizar el modelo, cuya justificación se detalla a continuación.

Este proyecto plantea tres objetivos principales para la optimización del subchasis perteneciente al prototipo de

competición destinado a la tercera edición de Motostudent:

- Realizar un diseño en 3D de la estructura más preciso, fácilmente modificable, flexible y útil para los

siguientes pasos de cálculo y fabricación.

- Realizar el cálculo de tensiones a través del método de elementos finitos de manera más detallada y

contemplando diferentes hipótesis de carga, podiendo así optimizar aún más la estructura en términos de resistencia y peso.

- Mejorar el método de fabricación reduciendo todo el subchasis a una sola pieza curada en el

autoclave, eliminando el proceso posterior de ensamblaje, con ánimo de conseguir una estructura más simétrica, homogénea y ligera

2 DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN

n este capítulo se detalla toda la evolución del diseño en 3D tanto del subchasis, como del resto de

componentes necesarios para su fabricación y su anclaje al chasis. Se comienza mostrando el progreso de los diferentes modelos 3D creados con el programa CATIA [12] y los motivos de dicha evolución.

También se explica en detalle el uso del programa para llegar al modelo final y definitivo y cuales son sus

características. Por último, se mencionan los detalles más relevantes del diseño de los componentes adicionales.

2.1 Adaptación de la geometría

En esta sección se describen todos los pasos seguidos durante el diseño del subchasis, explicando así su

evolución y los motivos de la misma. Se exponen todos los modelos creados con el software CATIA desde el comienzo de esta fase de diseño con sus características más significativas. Además, se explica en detalle el uso

del programa y las posibilidades del modelo creado, utilizando como ejemplo el modelo definitivo.

2.1.1 Modelos de CATIA

Este apartado comienza detallando las restricciones geométricas que afectan al subchasis, tanto las impuestas

desde el comienzo de la fase de diseño, como las que van apareciendo a lo largo de su desarrollo.

Al comienzo del proyecto, las únicas restricciones existentes eran las impuestas por la normativa de la

competición Motostudent, detalladas más adelante. Una vez comenzado el diseño general de la motocicleta, el

equipo proporcionó el modelo del chasis y la pipa de dirección y desde ese punto hubo total libertad para diseñar la geometría del subchasis, dentro de unos límites razonables. Por ello, se impusieron unas

restricciones propias para acotar el modelo, ajustándose a la comodidad y ergonomía del piloto y siguiendo las

características generales de las motocicletas de competición de misma cilindrada. En este caso se usó como modelo a seguir el prototipo del equipo de KTM en la competición mundial de Moto3 mostrado en la

Ilustración 2-1 [13].

E

La inspiración llega, pero tiene que encontrate

trabajando.

- Pablo Picasso -

Diseño y optimización

40

Ilustración 2-1 Prototipo de competición del equido KTM para el mundial de Moto3 2014

En lo que respecta al reglamento técnico de la tercera edición de la competición Motostudent, queda adjunto en el Anexo A. En dicho documento se puede consultar la normativa de la competición al completo, en cuanto

a consideraciones de diseño y en cuanto a las verificaciones que la motocicleta debe pasar para poder

participar en la carrera. Aquí se extraen algunas de las restricciones gemoétricas, expuestas en la Ilustración

2-2 y la Ilustración 2-3, las cuales afectan directa o indirectamente al subchasis, ya que ciertos componentes, pricipalmente el colín, dependerán de la geometría del subchasis para poder asegurar que cumplen el

regalemnto. Los límites geométricos a tener en cuenta son los subrayados en las ilustraciones, que son:

- Límite posterior: ningún elemento de la motocicleta puede rebasar la línea tangente vertical trazada a la circunferencia exterior del neumático trasero (Ilustración 2-2).

- Los neumáticos deben tener una tolerancia mínima de 15 mm con cualquier elemento de la

motocicleta en toda posición de la misma y reglaje de geometría.

- La anchura máxima del asiento debe ser de 450 mm. No puede sobresalir de esa anchura ningún otro

elemento de la motocicleta del asiento hacia detrás excepto el sistema de escape. (Ilustración 2-3).

Ilustración 2-2 Restricciones dimensionales impuestas por la competición (perfil)


Ilustración 2-3 Restricciones dimensionales impuestas por la competición (planta)

El subchasis no podrá rebasar ninguno de estos límites geométricos, lo cual siempre se cumple en cualquier

motocicleta de competición, al adaptarse su geometría a la postura del piloto, que queda ampliamente dentro de dichos límites. Se intenta entonces dejar el mayor espacio posible disponible para que el colín pueda ser

diseñado con libertad dentro de estos límites sin verse muy restringido por un sobredimensionamiento del

subchasis.

Una vez establecidos los límites impuestos por la competición, debido a la gran variedad de posibilidades de

diseño, se defininen restricciones propias. La primera gran diferencia con respecto al modelo de la edición

anterior es la inclinación del asiento, ya que al haberse diseñado completamente horizontal, al apoyar su peso

el piloto y bajar la supensión trasera, el asiento quedaba inclinado hacia abajo haciendo resbalar al piloto hacia atrás. Además, como se puede apreciar en la Ilustración 2-1, los prototipos de competición llevan un ángulo

bastante pronunciado.

La segunda gran diferencia con respecto al modelo de la edición anterior es que todas las medidas y restricciones se toman respecto al conjunto chasis/pipa de dirección, de forma que la altura y posición del

asiento vayan alineadas respecto a la estructura superior de la motocicleta. Esto permite que la postura del

piloto no dependa del resto de componentes de la motocicleta, los cuales pueden sufrir múltiples

modificaciones a lo largo de todo el diseño general. Se establecieron así las siguientes restricciones orientativas, que podrían ser modificadas posteriormente para adecuar la postura del piloto:

- Ángulo de inclinación del asiento de 12º.

- La parte trasera superior del subchasis quedaría a la misma altura que el punto medio de la pipa de dirección.

- La parte trasera superior del subchasis quedaría a una distancia horizontal de 900mm del punto medio

de la pipa de dirección.

- La parte delantera del asiento quedaría a una distancia horizontal de 650mm del punto medio de la

pipa de dirección.

- Las barras laterales del subchasis irían ancladas al chasis en sus nodos, donde las cargas transmitidas

por el peso del piloto serían mejor soportadas por el chasis.

- El asiento sería rectangular.

Para llevar a cabo el diseño de un subchasis que cumpliese dichas restricciones, se creó un esbozo (Sketch)

base en 2D fácilmente modificable en el programa CATIA, que serviría para definir las restricciones arriba expuestas (exceptuando la última de ellas). Este Sketch, visible en la Ilustración 2-4, representa las

restricciones desde el perfil del subchasis, sirviendo de guía en la que basar las medidas de las diferentes partes

del modelo.

La línea PC, también representada en la Ilustración 2-10, representa el plano en el que están contenidas las

barras superiores del chasis y la medida de 270mm señalada en la misma línea es precisamente la distancia

entre los nodos de la estructura donde irán ancladas las barras del subchasis. Ésta sumada a la de 311,5mm


42

siguiente representan la distancia desde la parte superior trasera del chasis al centro de la pipa de dirección,

también representada en la Ilustración 2-10. Como se puede observar, el Sketch ofrece una representación

simplificada de la estructura lateral del subchasis, con el conjunto de líneas A, B, C y D. Asimismo, quedan

claramente reflejadas las restricciones anteriormente listadas.

No se entra en más detalle, pues, como se ha comentado anteriormente, el modelo definitvo es el elegido para

detallar el proceso de diseño a través del programa desde cero.

Ilustración 2-4 Sketch base

El primer modelo creado es el representado en la Ilustración 2-5. Este modelo cumplía todas las restricciones, pero para ello, la barra lateral A debía pertenecer a un plano diferente a las barras C y D. Este último detalle

implicaría no poder laminar todas las barras laterales sobre una misma superficie, complicando a su vez la

geometría del molde, lo cual aumentaría en gran medida la dificultad de encontrar un fabricante y el precio del molde. Para poder asegurar que todas las barras laterales pertenecieran a un mismo plano, había que desechar

una de las dos restricciones, o bien aquella que establecía que las barras laterales del subchasis irían ancladas al

chasis en sus nodos o que el asiento fuese rectangular.

Ilustración 2-5 Primer modelo de subchasis

A

B

D C

PC


Se estudiaron entonces otras dos vertientes posibles de subchasis, cuyas principales diferencias se econtraban

en los puntos de anclaje delanteros (anclaje barra A) y en la geometría del asiento.

La primera de estas vertientes del modelo, está representada en la Ilustración 2-6. Este modelo conservaba el

asiento con forma rectangular, pero, como consecuencia, las barras laterales A del subchasis no caían encima de las barras superiores del chasis, acercándose entre sí y cayendo encima del motor. Conjuntamente, las

barras adquirían cierta inclinación que impedía que su terminación fuese una línea paralela a la de la barra

central del chasis a la que iría anclada, de ahí su terminación redondeada. Todo esto dificultaba tanto el diseño como la fabricación de las pestañas de anclaje, ya que o bien se soldaban oblicuas a las barras del chasis

(proceso muy complejo y poco preciso) o se diseñaban pestañas con un cierto áungulo adecuado para que su

posicionamiento coincidiera con el de las barras A.

Ilustración 2-6 Primer modelo de subchasis de la vertinte con el asiento rectangular (SAR)

La segunda de estas vertientes del subchasis, está representada en la Ilustración 2-7. Ésta conservaba los

puntos de anclaje al chasis en los nodos de la estructura y más importante aún, mantenía todas las barras

laterales del subchasis paralelas a las barras superiores del chasis. Como bien hemos visto anteriormente, es por ello, que este modelo no mantenía la geometría rectangular del asiento parte trasera del asiento, dando paso

a una geometría de trapecio isósceles que se estrecha conforme la estructura se aleja del manillar.

Ilustración 2-7 Primer modelo de subchasis de la vertinte con el asiento no rectangular (SANR)


44

La Ilustración 2-7 representa el primer modelo creado en paralelo al de la ilustración Ilustración 2-6 con

asiento rectangular, por lo que ambas veritentes mantenían las restricciones enumeradas anteriormente.

En la Ilustración 2-8 se muestra un modelo previo al de la Ilustración 2-7 que aún no hacía uso del Sketch

base, pero sirve para representar el subchasis integrado al conjunto chasis-motor, con algo más de detalle como es la primera aproximación de los orificios pasantes para los tornillos de anclaje, junto con la pestaña de

anclaje de la barra delantera (A) izquierda del subchasis.

Ilustración 2-8 Modelo previo al uso del Sketch base junto a la agrupación chasis/motor

Se contempló la posibilidad de darle curvatura al asiento buscando un asiento más cómodo y una estructura

con aristas menos pornunciadas, como se observa en la Ilustración 2-9, pero se descartó debido de nuevo a las

complicaciones que implicaría a la hora de conseguir un molde con dichas características.

Ilustración 2-9 Modelo con asinto curvado

En un principio se creyó más oportuno que la parte trasera del asiento fuese igual de ancha que la parte delantera, ya que al estrecharse la parte de atrás parecía no haber suficiente espacio para que el piloto reposara

su peso, comprometiendo su comodidad. Por ese motivo el desarrollo del subchasis comenzó siguiendo la

línea de este primer modelo SAR.

La evolución de éste fue de la mano de la evolución del chasis, el cual sufrió múltiples modificaciones, cambiando la distribución de los nodos, lo cual afectaba a la posición de las barras A. Aunque en este caso su

terminación no coincidiese con las barras del chasis, se pretendía que se aproximaran lo más posible a los

nodos para poder soldar las pestañas de anclaje en ellos.


Conjuntamente se decidió reajustar las restricciones y medidas que afectaban al asiento, aumentando el ángulo

de inclinación a 15º, haiendo que la parte superior trasera de este estuviese 25mm por debajo de la pipa de

dirección y en lugar de establecer una distancia entre la parte delantera del asiento y la pipa, se fijó la longitud

del asiento a 300mm. El resultado se puede ver junto al chasis en la Ilustración 2-10.

Ilustración 2-10 Primera evolución de la vertiente de modelos de asiento SAR

Llegados a este punto, se dio por bueno el diseño y se comenzó a planear su paso al cálculo de elementos finitos y su fabricación, aunque como se verá poco más adelante, el modelo seguiría evolucionando al tener

que adaptarse a nuevas modificaciones del chasis y posteriormente suspensión.

Para la planificación de la fabricación se creó otro modelo en CATIA representado en Ilustración 2-11. El

propósito de dicho modelo es ilustrar y dar una imagen más realista del laminado de la pieza. En él se pueden apreciar los distintos laminados de cada barra por separado, dónde ocurrían las superposiciones de capas y

entre cuántas barras. Igualmente, se pueden ver las distintas fases del laminado por separado, herramienta muy

útil para fabricación, ya que indicaría las medidas y dimensiones necesarias de material destinado a cada una de las barras.

Ilustración 2-11 SAR divido en los distintos laminados de la pieza

PC


46

Ilustración 2-12 Diferentes fases de laminado de SAR

En la Ilustración 2-12 se pueden apreciar las distintas fases del laminado por separado. Como primera

aproximación se sugirió que se laminaran juntas la parte delantera del asiento con las barras C (imagen izquierda), formando una especie de U que serviría para envolver y sujetar a las barras A, B y D (imagen

central). Posteriormente, para laminar los laterales del asiento (imagen derecha), debían estar sujetados o

unidos parcialemnte a la barra B para así asegurar que no se creara un espacio entre ellos. Es por ello que se

decide laminarlos en L, dando un segundo laminado de refuerzo a la barra B.

De este modelo se pudieron sacar varias conclusiones. La primera de ellas fue que la U formada por las barras

C y la frontal del asiento no se podría laminar como una sola barra para ser plegada posteriormente sin

implicar grandes arrugas en el pliegue, lo cual empeora notablemente las propiedades de la estructura. La segunda, aunque no se puede apreciar en las imágenes, es que el ángulo existente entre las barras A y B podía

ser despreciado, podiendo laminarlo como una sola barra. Finalmente, una vez decidido que la barra delantera

del asiento sería independiente a las barras C, se decide ensancharla para que envuelva gran parte del nodo

unión de las barras A, B y C, lo cual aporta mayor sujeción entre las barras y asegura que las fueras transmitidas por dicha barra caigan lo más centradas en el nodo posible. Lo mismo se aplica a la barra trasera

del asiento, la cual presentaba muy poca superficie de superposición con el nodo entre las barras B y D.

La Ilustración 2-13, muestra las modificaciones realizadas en el diseño.

Ilustración 2-13 SAR dividido en los distintos laminados de la pieza

Este modelo se empezó a diseñar en ABAQUS para su cálculo en elementos finitos y posterior fabricación,

pero como se ha comentado anteriormente, el chasis seguiría evolucionando, siendo el cambio más crucial el

nuevo diseño de suspensión. El proyecto llevado a cabor por el compañero Daniel Holloway Campos trata de una suspensión basada en un sistema de cuatro barras, el cual le permite elegir la trayectoria seguida por la


rueda trasera a la hora de amortiguar las irregularidades del terreno [6]. Este revolucionario sistema, tuvo gran

repercusión en el diseño del subchasis, ya que para poder llevar a cabo el proyecto de la suspensión, ésta

debería ir anclada a la parte superior trasera del chasis, acercándose o incluso coincidiendo con los anclajes

traseros del subchasis.

Comenzó aquí de nuevo el proceso de diseño y planeamiento de fabricación del subchasis, aunque esta vez

con una amplia base en la que apoyarse. Cabe recalcar que conforme fue avanzando el proyecto se fue

teniendo más consciencia de la realidad que envuelve a las motocicletas de competición. Tras una visita del equipo US-Racing a Jerez para presenciar los entrenamientos de motocicletas de la categoría Moto3, se

tomaron medidas aproximadas de los prototipos actuales de competición, adquiriendo así más concimiento

sobre los límites de las dimensiones de la geometría. Esto influiría, como se verá más adelante, tanto en las medidas finales de la estructura, como en la decisión de adoptar un modelo con una geometría que siguiera la

línea de diseño expuesta al principio, donde no se mantenía el asiento rectangular (SANR).

El primer paso fue descartar la opción de acercarse lo más posible a los nodos de la estructura del chasis, ya

que esto implicaba separar mucho los puntos de anclaje de las barras delanteros y traseros del subchasis, aumentando su dimensión y facilitando la interferencia con otros componentes de la motocicleta como podría

ser el cubre-depósito o el airbox. Asimismo, como se ha comentdo anteriormente, la línea de geomtría seguida

hace que conforme más se separen los puntos de anclaje delanteros y traseros, más se acerquen los delanteros entre sí, cayendo encima del motor y creando más interferencias con otros componentes si cabe. Como

resultado, se acercaron las líneas A y C del Sketch base a 100mm.

El segundo paso fue el acercamiento del asiento al manillar. Tras hacer un par de pruebas con el piloto con el prototipo de la edición anterior, declaró tener espacio de sobra para apoyar su peso, por lo que con el objetivo

de que las barras no estuveran en un voladizo demasiado pronunciado y dejar más espacio para el diseño del

colín entre el asiento y la tangente vertical de la rueda trasera, se definió una distancia entre la parte delantera

del asiento y el punto medio de la pipa de 570mm. También se acortó también la longitud del asiento a 270mm, aunque aún tenía suficiente espacio para situarse y desplazar el peso por el asiento. El ángulo de

inclinación del asiento se mantuvo en 15º.

En la Ilustración 2-14 se muestra el nuevo diseño junto con el chasis, el motor y una primera aproximación del diseño de la suspensión.

Ilustración 2-14 SAR

Como en el modelo anterior, se creó un modelo con las diferentes capas del laminado para poder planificar mejor la fabricación del prototipo. Aparte de las modificaciones en la estructura arriba explicadas, la principal

diferencia entre la planificación del laminado de esta estructura y el modelo previo reside en la barra B. En este

caso, en lugar de que las barras laterales del asiento constituyan un refuerzo para la barra, lo que se plantea es ensanchar las barras B el ancho de las barras laterales del asiento y plegarlas sobre el molde, ahorrando así en

material y optimizando el peso de la estructura. El resultado queda visible en la Ilustración 2-15.


48

Ilustración 2-15 Diferentes fases de laminado de SAR

Una vez llegados a este punto, donde las dimensiones del subchasis habían sido notablemente reducidas, el

diseño de la suspensión volvió a cambiar, interfiriendo con el anclaje del subchasis. Se intentó seguir ajustando el modelo, sin embargo, se acabó por descartar esta opción, pues al avanzar el diseño general de la

motocicleta, la habilidad de poder modificar la posición de las barras delanteras (A) del subchasis libremente

se convertió en un requisito fundamental de diseño. El principal inconveniente de esta vertiente de diseño con

el asiento rectangular es el hecho de que las barras laterales no terminasen paralelas entre sí. Esto dificulta la colocación de las pestañas de anclaje y resulta en una mayor invasión del espacio disponible próximo a la toma

de admisión del motor.

Como consecuencia, finalmente, se decide adaptar este último diseño a la otra vertiente geométrica. De aquí sale el modelo definitvo representado en la Ilustración 2-16, el cual está basado en un Sketch base

prácticamente idéntico al del modelo anterior y el cual guarda el mismo laminado. Sus principales diferencias

residen, evidentemente, en la distancia entre las terminaciones de las barras laterales y en las dimensiones del asiento. En la imagen se muestra el subchasis junto con el diseño definitivo de la estructura de la motocicleta,

pestañas de anclaje incluidas. Este diseño será expuesto en detalle en el siguiente apartado, aunque a

continuación se enumeran las principales características y restricciones direccionales de la estructura.

Ilustración 2-16 Diseño definitivo junto al resto de la estructura de la motocicleta.



- La parte trasera superior del subchasis queda a 25mm por debajo del punto más alto de la pipa de

dirección.

- La parte delantera del asiento queda a una distancia horizontal de 570mm del punto más alto de la pipa de dirección.

- La longitud del asiento es de 270mm.

- La parte trasera del asiento tiene 80mm de ancho.

- La distancia entre los extremos de los nodos 3 y 4 del Sketch base que reposan sobre la línea PC es de

90mm.

- La distancia entre los extremos de los laterales del subchasis es de 137mm.

2.1.2 Modelo definitivo

En este apartado se explica con mayor nivel de detalle cómo se desarrolló el modelo definitvo de subchasis en

el programa de diseño 3D CATIA, a la vez que se listan todas las medidas y características geométricas del

diseño.

CATIA es un programa con infinidad de posibilidades. Con motivo de mantener esta memoria centrada en el proyecto que concierne, aquí solamente se expone la pequeña porción de ellas empleadas para el diseño del

subchasis, entrando en detalle únicamente donde se considera oportuno.

Lo primero a tener en cuenta es el entorno de diseño en el que se van a crear las diferentes partes del modelo. En la Ilustración 2-17 se pueden observar las diferentes opciones ofrecidas por el programa. En este caso, la

mayoría del equipo diseñó los diferentes componentes en el entorno de Diseño Mecánico (Mechanical Design)

o Forma (Shape), por lo que, con ánimo de mantener la homogeneidad del modelo general de la motocicleta,

el subchasis se diseñó en el primero de ellos. Aún así, al tratarse de una estructura de caras planas, el subchasis podría haberse diseñado también el entorno Shape.

Ilustración 2-17 Entornos de trabajo de CATIA

Dentro del entorno de diseño mecánico, se utilizan los apartados de Diseño de Partes (Part Design) y Diseño

de Ensamblaje (Assembly Design). CATIA estructura los distintos componentes de un diseño de forma

jerárquica o de árbol genealógico. Dentro del Part Design se puede diseñar parte de una pieza (Parts), mientras dentro del Assembly Design se crean diferentes productos (Products) que contienen las diferentes partes

creadas en el Part Design y se pueden ensamblar entre sí. La Ilustración 2-18 muestra el árbol genealógico del

modelo aquí expuesto y las dos herramientas para crear Parts y Products.


50

Ilustración 2-18 Árbol genealógico de la estructura

Al tratarse del modelo de subchasis dividido en sus diferentes laminados, cada uno de ellos se diseñará por separado. Es por ello que, para mantener el esquema de componentes del diseño más ordenado, el diseño se

dividirá en los diferentes Parts y Products expuestos en la Ilustración 2-18.

El primer Product llamado Set Geométrico contiene todas las restricciones y dimensiones variables del

modelo. Incluye el Sketch base, mencionado en el apartado anterior, en el que se basarán las diferentes restricciones y medidas del perfil de la estructura junto con el resto de planos, líneas y puntos que ayudaran a

definir los límites de la misma.

Se comienza seleccionando el Part creado para entrar en el entorno de Part Design. Una vez dentro, se definen las restricciones que se desean imponer sobre el diseño como parámetros, los cuales se asignarán a las medidas

a las que correspondan. De esta manera, se puede modificar la estructura más fácilemente. Un ejemplo sería el

ancho de las barras, en lugar de ir barra por barra cambiándole la medida del ancho, se le asigna el parámetro “Ancho de las barras laterales” y cambiando éste, cambiará el ancho de todas y cada una de ellas. La

Ilustración 2-20 muestra la ventana de definición de nuevos parámetros, mientras que la Ilustración 2-20

representa los parámetros ya presentes en el árbol genealógico.

Ilustración 2-19 Ventana de definición de nuevos parámetros

Add Product

Add Part


Ilustración 2-20 Parámetros ya presentes en el árbol genealógico

Una vez quedan definidas las restricciones como parámetros, se elige el plano en el que se quiere dibujar el

Sketch 2D, en este caso el plano YZ, y se dibuja un boceto del Sketch con las distintas herramientas del

programa. Con el boceto terminado se le aplican las restricciones para que quede una “estructura” sin grados de libertad, significando que todas las variables necesarias para que el modelo sea único han sido definidas. La

Ilustración 2-21 representa el Sketch base en el entorno de dibujo (Sketch). Así mismo, se señalan las

herramientas más utilizadas para esbozar en 2D.

Ilustración 2-21 Sketch base definitivo junto con las herramientas más significativas del entorno de dibujo

Hasta este punto las medidas definidas son:



dirección.

- La parte delantera del asiento queda a una distancia horizontal de 570mm del punto más alto de la

pipa de dirección.


- La distancia entre los extremos de los nodos 3 y 4 del Sketch base que reposan sobre la línea PC es de 90mm.

Crear línea

Crear restricción

Asignar parámatro

a restricción

Salir del entorno Sketch


52

- La distancia de 600mm, que es la distancia desde el punto superior del chasis más retrasado hasta el

punto superior de la pipa de dirección más adelantado.

- El ángulo de 31,158º, que representa el ángulo que forma el plano que contiene las barras superiores

del chasis (PC) con el plano horizontal.

Las dos últimas medidas fueron proporcionadas por el equipo de chasis y eran medidas fijas, por lo que no se

crea un parámetro para definirlas. El resto de medidas fueron fruto de la evolución explicada en el apartado

anterior, condicionadas tanto por la geometría de chasis, supensión trasera, motor y airbox, como por las restricciones impuestas por el piloto.

Se pasa entonces a la definición del resto de puntos en el espacio necesarios para seguir restringiendo la

geometría general a un modelo único.

Si se pretende que los extremos de las barras laterales no se inclinen hacia dentro, interfiriendo con el resto de

componentes en las proximidades de la toma de admisión del motor, las líneas de sus extremos deben estar

contenidas en un plano paralelo al plano YZ o plano de simetría de la estructura. Es por ello que se crea un

plano paralelo a una distancia del plano YZ igual a la mitad de la distancia total entre los extremos de las barras laterales, 137.45mm en este caso.

El motivo por lo que esta última medida es tan precisa es que se decidió separar los extremos de las barras lo

más posible sin acercarse más de 5mm a la suspensión trasera, desde donde se tomó la medida. Evidentemente, a la hora de fabricar no se llegará a esa precisión, pero dicha medida indicaría el máximo.

Como se verá más adelante, a la hora de diseñar el molde para laminar y curar la estructura, se redondea el

ángulo entre los planos laterales y el plano del asiento al siguiente número entero más bajo.

Para poder definir el plano que contiene las barras laterales (PBL) de la estructura hacen falta al menos tres

puntos definidos en el espacio. Dos de ellos pueden ser fácilmente definidos en un nuevo Sketch creado sobre

el plano recientemente definido, ya que, como se ha comentado en el párrafo anterior, las líneas en las que

terminan los extremos de las barras laterales estarán contenidas en ese plano. De todos los puntos posibles se escogen las proyecciones de los nodos 3 y 4 del Sketch base, sirviendo así de puntos de referencia a la hora de

esbozar las barras laterales.

El tercer punto que hace falta para definir el plano de las barras laterales puede ser el que coincide con la parte trasera del asiento. Todos los puntos de la línea trasera del asiento son proyecciones del nodo 2 del Sketch base

en planos paralelos al plano YZ o plano de simetría, por lo que para definir el punto que estamos buscando, se

crea un plano paralelo a una distancia igual a la mitad del ancho mínimo del asiento y si crea un Sketch que

contenga la proyección del nodo 2.

Sólo quedarían por definir dos planos más, siendo uno de ellos el plano en el que está contenido el asiento, lo

cual puede ser fácilmente logrado utilizando la línea B del Sketch base y el punto recientemente creado.

Por último, para poder situar el punto dónde se encuentran la parte delantera del asiento y el lateral del subchasis, no se puede hacer uso de un plano paralelo al plano YZ pues no se conoce la distancia exacta entre

ellos. Harán falta entonces tres planos para definirlo, siendo dos de ellos el plano del asiento y el plano PBL. El

tercer plano será un plano que contenga la línea delantera de la silueta del asiento, como es en este caso un plano paralelo al plano XZ que contenga al nodo 1 que guarda la restricción de mantener la parte delantera del

asiento a 570mm en horizontal del punto más alto de la pipa de dirección.

Todo el conjunto de planos y puntos están representados en Ilustración 2-22 y los más importantes están

señalados.


Ilustración 2-22 Set geométrico

Todos estos puntos en el espacio, representados en la Ilustración 2-22, son suficientes para definir la geometría

de la estructura, por lo que se procede al diseño de sus diferentes partes y laminados.

En el caso de las barras laterales, se crea un Sketch que las contenga a todas ellas y se copiará de Part a Part. El

procedimiento es muy similar al de la creación del Sketch base, sólo que se dibujará el lateral con líneas

“constructivas”, líneas que sirven de referencia, pero que no froman parte del Sketch que se materializa una vez se sale del entorno Sketch. Posteriormente, para cada barra o laminado diferente se usarán las líneas

contructivas para situar las líneas que formarán formalmente el Sketch.

Ilustración 2-23 Sketch constructivo de las barras alterales del subchasis

Crear plano

Pad

Pocket

Nodo 2

Nodo 1

Nodo 3 Nodo 4

Línea A

Línea B

Línea C

Línea D

Puntos para definir PBL

PBL

Plano del asiento


54

Esta estructura de líneas constructivas está representada en la Ilustración 2-23. En ella se pueden ver cómo las

proyecciones de los nodos 1, 2, 3 y 4, señaladas en la imagen, se han utilizado de referencia para las distintas

barras. Fuera de lo obvio, cabe resaltar que el nodo 3 hace de referencia para el punto medio de la barra A y el

nodo 4 sin embargo como punto más retrasado tanto de la barra C, como de la barra D.

Los laterales del subchasis se diseñan sólo una vez en uno de sus lados, lado izquierdo del subchasis en este

caso, y con la herramienta de simetría (Mirror) se copia lo que se ha creado en el lado opuesto, usando, como

se ha mencionado anteriormente, el plano YZ como plano de simetría.

Con las siluetas de los laterales definidas, se dibuja la silueta del asiento en un Sketch contenido en el plano del

asiento. Únicamente hay que hacer coincidir los cuatro extremos del asiento con los extremos de la barra B y

definir el ancho de las barras del asiento.

Llegados a este punto se ha definido también:

- El ancho de las barras laterales es de 40mm.

- La distancia entre los extremos de las barras laterales es de 137,45mm.

- El ancho de las barras laterales del asiento es de 20mm.

- El ancho de la barra delantera del asiento es de 60mm.

- El ancho de la barra trasera del asiento es de 80mm.

La Ilustración 2-24 muestra el entorno de Part Design una vez que cada una de las siluetas de las barras

laterales y el asiento han sido definidas.

Ilustración 2-24 Sketch de la estructura completa

Con todas las siluetas definidas, solamente queda darles volumen y diferentes colores para poder darle forma a la estructura. Para darle volumen a la estructura, se utiliza la herramienta Pad, la cual extruye un área en la

dirección y la distncia indicadas. Para darle color a las diferentes barras, se edita modificando las propiedades

de cada una de ellas.

La Ilustración 2-25 muestra el modelo definitivo con cada barra claramente diferenciada, mientras que la Ilustración 2-26 muestra como se irían solapando una tras otra.


Ilustración 2-25 Modelo definitivo

Ilustración 2-26 Evolución del subchasis tras la solapación de sus barras estructurales


56

2.2 Diseños adicionales

A continuación se presentan los dos diseños adicionales necesarios para el desarrollo del proyecto, siendo

estos el diseño del molde o útil para la fabricación del subchasis y el diseño de las pestañas de anclaje al chasis.

2.2.1 Pestañas

Una vez el diseño del subchasis queda prácticamente definido, queda por diseñar las cogidas al chasis para

verificar que es posible soldarlas al mismo sin afectar a otros elementos, por lo que la etapa final del diseño se realiza en conjunto entre el subchasis y sus cogidas al chasis.

Con el subchasis colocado en el espacio en lugar deseado junto con el resto de componentes de la motocicleta,

se observa en qué posición es más adecuado colocar las pestañas y a qué parte del chasis anclarlas. Se decide colocar las pestañas en las caras interiores de las barras del subchasis y anclarlas a las barras más cercanas del

chasis.

Las pestañas para anclar las barras traseras irán soldadas a una barra casi perpendicular a los planos laterales del subchasis, por lo que la línea de soldadura será una elipse muy aproximada a la circunferencia. Sin

embargo, no se dan las mismas condiciones en las cogidas delanteras, por lo que la soldadura será más

compleja, requiriendo mucha habilidad para su correcta colocación.

La Ilustración 2-27 muestra las cogidas derechas, las delanteras tendrán un ancho de 40mm y una altura de 70mm antes de la soldadura, y las traseras un ancho de 30mm y una altura de 65mm antes de la soldadura. Se

diseñan de forma que el centro de su semicircunferencia superior coincida con la línea media de las barras a las

que van unidas, dónde se realizarán los orificios para los tornillos.

Ilustración 2-27 Cogidas de las barras laterlaes derechas del subchasis

2.2.2 Molde

Finalmente se realiza el diseño del molde o útil para la fabricación del subchasis. Debido a las medidas tan precisas diseñadas, habrá que realizar que realizar un modelo en 3D y sus respectivos planos del útil para

facilitárselo al fabricante.

Se contemplaron dos ideas, la de un molde macho o un molde hembra. El molde hembra conseguiría que el

acabado exterior del subchasis quedara más liso y mejor estéticamente. Sin embargo, sería muy complicado laminar las barras y conseguir llegar a las esquinas y recovecos del molde.

Se decidió entonces utilizar un molde macho. La primera opción, por facilidad a la hora de laminar y de

realizar la bolsa de vacío fue mecanizar un bloque macizo de metal. Sin embargo, esto supondría un elevado presupuesto al tener que adquirir un bloque metálico de grandes dimensiones y tener que mecanizar bastante


material a partir de un bloque rectángular para dar el ángulo necesario.

Es por ello que finalmente se opta por utilizar una placa de acero que sería doblada según las medidas

proporcionadas al fabricante. Como se ha mencionado anteriormente, sería necesario diseñar previamente el

útil, obtener los planos y redondear las medidas más precisas a números posibles de obtener por el fabricante.

La Ilustración 2-28 muestra la chapa diseñada en el software CATIA. Las medidas (exteriores) pasadas al

fabricante son finalmente:

- Arista trasera del asiento de 80mm.

- Largo del asiento de 270mm.

- Aristas de unión del asiento forman un ángulo de 112º con la arista trasera.

- Aristas de la silueta exterior del laterla del subchasis de mm, mm y mm.

- Se dobalría la placa por la arista de unión del asiento y los laterales º.

Finalmente, las medidas del subchasis y la posición de las pestañas quedaríán definidos por las dimensiones

del molde, coincidiendo las medidas de la cara interior del subchasis con las de la cara exterior del molde.

Ilustración 2-28 Diseño 3D del molde para fabricación de la pieza

3 CÁLCULO DE ELEMENTOS FINITOS

iguiendo con la línea de presentación del proyecto, exponiendo los diferentes pasos seguidos para el

desarrollo del subhcasis en el orden en el que se fueron sucediendo, este capítulo explica la etapa de cálculo, inmediatamente posterior a la de diseño. El mismo está divido en tres secciones, siendo la

primera de ellas una breve explicación de en qué consiste el Método de los Elementos Finitos y por qué se

hace uso del mismo en el presente proyecto. A continuación, el desarrollo del modelo de cálculo en el software ABAQUS [14], el cual permite el uso del MEF, quedará expuesto de manera similar al capítulo anterior,

detallando todas las propiedades, restricciones y casos de carga creados. Finalmente, se exponen y explican los

resutados obtenidos.

3.1 Método de los Elementos Finitos

Éste apartado da una breve explicación de en qué consiste el método en cuestión y por qué es el empleado en

el presente proyecto.

El método de los elementos finitos (MEF) es un método que permite obtener una solución numérica

aproximada en sistemas mecánicos o físicos, debido a la versatilidad en su aplicación. El MEF es un algoritmo que permite la resolución de sistemas de ecuaciones diferenciales con condiciones de contorno, por lo que se

podrán obtener soluciones aproximadas de cualquier sistema físico del que se pueda obtener un modelo

matemático que resulte en un sistema de ecuaciones diferenciales con condiciones de contorno. Entre otros se encuentran problemas de transmisión de calor, mecánica de fluidos, campos electromagnéticos, y, por

supuesto, sistemas mecánicos.

La solución exacta será calculada en los nodos, pero en el resto de puntos del sistema la solución será extrapolada de aquella obtenida en los nodos. Hay problemas en los que es imposible obtener una solución

exacta, y recurrir al MEF es la única forma práctica de obtener una solución aproximada.

La transformación de un sistema de ingeniería con infinitas incógnitas a un modelo de elementos finitos

requiere un conocimiento profundo del MEF, ya que dicho modelo es una idealización matemática de un sistema real cuyo comportamiento deberá, al menos, ser intuido, pues de otro modo la modelización puede ser

muy laboriosa o imposible.

Para empezar, lo que se hace es dividir el problema inicial, en principio complejo, en sub-problemas mucho más sencillos cada uno. En el campo de la mecánica la manera de proceder consiste en dividir la geometría en

subdominios más pequeños y no intersectantes, y de ahí el nombre “elementos finitos”. La geometría de estos

subdominios es muy variada, y cada vez aparecen nuevas morfologías en las que poder subdividir la geometría principal. Pueden ser tanto bidimensionales como tridimensionales, predominando en cada caso los

S

Siempre que te pregunten si puedes hacer un trabajo

contesta que sí y ponte enseguida a aprender cómo se

hace.

- Franklin D. Roosevelt -

Cálculo de elementos finitos

60

triángulos/rectángulos y los tetraedros/cubos, respectivamente. También hay subdominios de caras curvas,

para aproximar geometrías curvas, y muchas formas variadas, apropiadas para cada caso que sea posible

encontrar.

En los subdominios (elementos) que se acaban de describir, se encuentran una serie de puntos relevantes llamados nodos. Estos puntos se sitúan en los extremos de las líneas o superficies que contienen al elemento.

En estos nodos será donde se calcule la solución exacta, como se dijo previamente. Un nodo puede pertenecer

al mismo tiempo a varios subdominios, de la misma manera que un subdominio tendrá dos o más nodos. De esta forma se crean unas interrelaciones entre los nodos, con las líneas o superficies que los unen dividiendo

distintos elementos. Este entramado de líneas, superficies y nodos es lo que se conoce como “malla”. Un buen

mallado es fundamental para obtener una buena solución aproximada.

Se define por tanto:

Nodo: localización en el espacio de un punto en el que se considera que existen ciertos grados de

libertad (desplazamientos, potenciales, temperaturas, etc.) y acciones (fuerzas, corrientes, condiciones

de contorno, etc.) del sistema físico.

Elemento: subdominio del problema cuya solución se obtiene de forma aproximada a partir de la

interacción entre los grados de libertad del conjunto de nodos que se le asocian.

Como se menciona en la definición de nodo, cada uno de ellos tiene ciertos grados de libertad (GDL) que caracterizan la respuesta del campo, es decir, cada nodo tiene unas ecuaciones diferenciales que representan el

problema que se quiere resolver. Los GDL (las ecuaciones) en un nodo dependen de los elementos que se

conectan en dicho nodo, los cuales se “pasan” la información (condiciones de contorno) de unos a otros a través de los nodos comunes.

Particularizando para un sistema estructural, el conjunto de GDL incluye tres traslaciones y tres rotaciones, y

las condiciones de contorno incluyen restricciones de desplazamientos, fuerzas aplicadas en los nodos,

presiones sobre elementos, temperaturas en los nodos y cargas volumétricas o de inercia (gravedad).

3.2 Modelo de elementos finitos

Una vez explicado en qué consiste el MEF, en esta sección se expone, de manera muy similar a como se hizo

en el capítulo anterior, el uso del software ABAQUS para el cálculo general de esfuerzos de la estructura. Lo

pasos seguidos para la definición del modelo, como puede ser el volver a dibujar la geometría del subchasis, definir las propiedades del material o los ensayos de carga a evaluar, vienen muy marcados por el programa en

sí y son explicados uno a uno a continuación.

3.2.1 Interfaz de ABAQUS

El entorno gráfico de ABAQUS es bastante descriptivo, como se puede observar en la Ilustración 3-1. El

esquema señalado a la izquierda representa todos los campos que es posible definir para la creación de un modelo, sin embargo, no todos son imprescindibles, por lo que aquí únicamente se tratarán los empleados para

la definición del subchasis. Al igual que en la mayoría de los programas, dependiendo del entorno en el que se

esté trabjando, la visualización de los distintos componentes del modelo será distinta, lo cual se puede ver a lo largo de esta sección. Dentro de las distintas barras de herramientas y secciones señaladas en la imagen, cabe

resaltar la caja de diálogo en la parte inferior de la imagen, donde ABAQUS proporciona información de los

pasos seguidos, de los resultados de las diferentes acciones y de las alertas producidas por acciones que no pueden ser llevadas a cabo.


Ilustración 3-1 Entorno gráfico de ABAQUS

3.2.2 Definición del material

Previamente al diseño de la geometría, se definien las propiedades de los materiales con los que se fabricará el subchasis, para que el programa pueda calcular posteriormente dónde se generarán las máximas tensiones e

incluso qué partes de la estructura sufrirían una tensión mayor a la tensión de rotura tras realizar un ensayo de

carga.

Como se mencinó previamente, el material empleado para la fabricación del subchasis es proporcionado por el LERM de la Universidad de Sevilla en forma de patrocinio para el equipo USR Engineering y de apoyo para

el proyecto aquí expuesto. Ellos mismos proporcionan las propiedades, las cuales son fácilmente introducidas

en el modelo creado a través de la herramienta proporcionada por ABAQUS como se puede observar en la Ilustración 3-2.

En este caso el software se presenta bastante flexible, ofreciendo la posibilidad de definir múltiples constantes

del material, pero sin exigir la definición de todas ellas. Se crean entonces dos materiales en ABAQUS, introduciendo todas las constantes que han sido proporcionadas, uno para los laterales y el asiento y un

segundo para un cierre trasero, que como se verá más adelante será necesario para evitar grandes

desplazamientos laterales de la estructura.

Para los laterlaes y asiento se usará un material compuesto de Grafito-Epoxi en cinta pre-preg unidireccional con las propiedades expuestas en la Tabla 3-1.

Barra de herramientas

para la navegación en el

espacio tridimensional de

ABAQUS

Esquema definitorio de las

diferentes características y

propiedades del modelo

Barra de herramientas

para la creación y edición

de elementos dentro de un

determinado entorno

Caja de diálogo para la

exposición de mensajes de

ABAQUS

Barra de navegación entre

los diferentes entornos y

componentes dentro de los

mismos


62

Tabla 3-1 Propiedades de la cinta

Resistencias Rigideces Deformaciones

Xt = 2000 MPa E11 = 166 GPa Xεt = 1,38

Yt = 60 MPa E22 = 11 GPa Xεc = 1.175

St = 112 MPa G12 = 4,6 GPa Yεt = 0.436

Xc = 1847 MPa ν12 = 0.3 Yεc = 2

Yc = 245 MPa Sε = 2

Para el cierre trasero se usará tejido, donde la fibra viene entrelazada en dos direcciones perpendiculares sin resina, para ser impregnada en ella posteriormente. Sus propiedades están expuestas en la Tabla 3-2.

Tabla 3-2 Propiedades del tejido

Resistencias Rigideces

Xt = 600 MPa E11 = 70 GPA

Yt = 600 MPa E22 = 70 GPa

St = 90 MPa G12 = 5 GPa

Xc = 570 MPa ν12 = 0.1

Yc = 570 MPa

Ilustración 3-2 Ventana para la introducción de las propiedade del material


3.2.3 Modelo Shell

Una vez quedan definidas las propiedades del material a emplear, se procede a la implantación del modelo

previamente diseñado. Al pertenecer ambos programas, CATIA y ABAQUS, a la misma rama de software

SIMULIA, cabe la posibilidad de exportar el modelo 3D de CATIA a ABAQUS directamente y trabajar sobre

él. Sin embargo, en algunas ocasiones, esto conlleva algunos fallos en el cálculo si no se determinan perfectamente las características del diseño. Es por ello que se decide replicar el modelo ya diseñado en

CATIA en el entorno de dibujo de ABAQUS.

Se comienza eligiendo el tipo de diseño que se pretende usar para los distintos componentes del subchasis. ABAQUS ofrece diferentes tipos de componentes estructurales o partes para agrupar las propiedades que más

se acomodan a cada estructura y, en este caso, al tratarse el subchasis de una estructura de barras planas, donde

sus dimensiones en dos de sus direcciones son mucho mayores que en la tercera, a la hora de crear cada una de las partes, se elige diseñar en el entorno (Modeling Space) de 2D, con un tipo de diseño deformable, con partes

del tipo Shell (capa/lámina). Se elige un diseño Shell pues se acerca a la perfección al diseño aquí expuesto, ya

que las estructuras creadas en este entorno están formadas por capas o láminas, como es el caso real del

subchasis.

En dicho entorno, se diseñan las diferentes partes en 2D de manera similar a como se realizó anteriormente en

CATIA, aunque con la desventaja de un entorno de dibujo mucho menos flexible. Otra notable diferencia

surge del hecho de que el diseño en 2D de cada parte del subchasis no incluye su ubicación en el espacio, hecho que dificultará en gran medida el ensamblaje general de la estructura como se verá más adelante. La

gran ventaja es que todas las medidas pueden ser tomadas en el diseño creado anteriormente y replicadas en el

nuevo.

Las diferentes partes son los laterlaes, el asiento y distintos cierres traseros que, como se verá más adelante, son necesarios para evitar grandes desplazamientos laterales en la estructura. Todas ellas deben ser además

divididas en las diferentes secciones que representen la superficie donde se superponen las múltiples barras, ya

que la estructura ofrecerá diferentes propiedades en cada una de ellas.

La Ilustración 3-3 muestra el entorno de dibujo con uno de los laterales ya diseñado.

Ilustración 3-3 Diseño del lateral del subchasis en ABAQUS

3.2.4 Definición del laminado por intersecciones

Con cada parte de la estructura diseñada por separado, queda terminar de definir cada una de sus propiedades

antes de comenzar a ensamblarlas en el espacio. Una etapa muy importante es la definición exacta del

laminado existente y su orientación en cada una de las secciones de la superficie en las que se solapan diferentes barras. Estas secciones fueron previamente definidas en el diseño 2D de cada una de las partes. En


64

la Ilustración 3-4 y en la Ilustración 3-5 se pueden observar las veintiuna secciones en las que se solapan

diferentes capas (las de ambos laterales se agrupan al ser simétricas). La Tabla 3-3 presenta un resumen de las

barras que coinciden en cada una de ellas, el número de capas acumuladas y su grosor.

Ilustración 3-4 División del lateral en las secciones generadas por la solapación de barras

Ilustración 3-5 División del asiento en las secciones generadas por la solapación de barras

Tabla 3-3 Tabla resumen de las secciones generadas por la solapación de diferentes barras en los laterales y el

aseinto del subchasis (T60 – Barra delantera del asiento; T80 – Barra trasera del asiento).

Sección a b c d e f g h i j k l m n, s o p, t q, u r

Barras

A A, C

A, B,

C,

T60

B, C,

T60

A, B,

T60

B, T60

A, B

B B, D

B, D,

T80

C D C, D

B, T80

T80 B B, T60

T60

Capas 10 20 40 30 30 20 20 10 20 30 10 10 20 20 10 10 20 10

Grosor (mm)

2 4 8 6 6 4 4 2 4 6 2 2 4 4 2 2 4 2

a

b

k

l

m

h j

i c

d

e

g

f

q

r

u t

p n

o

s


Como se expuso en el capítulo anterior, cada barra estará compuesta por el laminado [0/90/0/45/-45/-

45/45/0/90/0]. Para poder definir la orientación de cada una de las capas solapadas en cada sección, se

establece un sistema de coordenadas para cada barra, donde el eje X es paralelo a la línea media longitudinal

de la barra y tanto el eje X como el Y están contenidos en el plano de la barra. De este modo, se puede definir la orientación de cada capa respecto a los distintos sistemas coordenados a los que correspondan, como se

puede observar en la Ilustración 3-6.

Ilustración 3-6 Herramienta de definición del laminado de ABAQUS

.

Ilustración 3-6 Herramienta de definición del laminado de ABAQUS

3.2.5 Posicionamiento en el espacio

Como se ha comentado anteriormente, una de las grandes diferencias entre el diseño 3D en ABAQUS y otros

programas como CATIA, es que al realizar un Sketch 2D del componente de una estructura, este debe ser

situado posteriormente en el espacio.

El procedimiento a seguir es definir suficientes puntos, líneas o planos que sirvan para determinar la posición

de las diferentes partes de la estructura en el espacio, para después ensamblarlas entre ellas.

El gran inconveniente encontrado en esta etapa del proceso en particular es la inconsistencia del software en términos de precisión. A la hora de dibujar los Sketchs en 2D, todas las dimensiones adquiridas del modelo de

CATIA son redondeadas a la centésima de milímetro por el programa, sin embargo, a la hora de situar los

puntos en el espacio éste es enormemente más preciso. El resultado, en resumidas cuentas, fue la imposibilidad

de ensamblar las diferentes partes simplemente utilizando las medidas de CATIA, por lo que hubo que recalcular varios puntos del espacio en ABAQUS para poder ensamblar todo el conjunto. Estos nuevos puntos

se aproximaron lo más posible al diseño de CATIA para que no hubiese una diferencia notable entre el modelo

diseñado en CATIA y el calculado en ABAQUS.

Se comenzó replicando los planos que contenían los laterales derecho e izquierdo del subchasis, ya que, la

apertura de las barras laterales tiene una gran influencia en los desplazamientos laterales sufridos por la

estructura. Definiendo las proyecciones horizontales de los nodos 2 y 4 en ambos planos se sitúan los laterlaes creando tres restricciones, una que haga que la estructura Shell del lateral esté contenida en el plano creado y

otras dos que hagan coincidir los nodos 2 y 4 del lateral con los puntos recientemente definidos.

Con los laterales situados, únicamente queda por posicionar el asiento. Es aquí dónde se modifican

ligeramente las medidas para poder hacerlo coincidir exactamente con los laterales. Tras ajustar las medidas, se crean dos restricciones que hagan coincidir cada línea lateral del asiento con cada línea superior de cada

lateral y la posición en el espacio del asiento queda totalmente definida y restringida. La Ilustración 3-7

muestra el ensamblaje completo junto con los puntos y planos definidos y una de las restricciones de adherencia entre asiento y lateral impuestas.


66

Ilustración 3-7 Ensamblaje completo del subchasis

3.2.6 Ensayos de carga

En este apartado se detalla el proceso seguido para poder realizar diferentes ensayos de carga. Una vez queda

definida toda la geometría y el diseño 3D del subchasis, comienza la etapa de preparación para el cálculo. Para que el programa pueda realizar el cálculo hay que mallar la estructura, definir unas ciertas condiciones de

contorno, las cargas a aplicar y cómo van a ser aplicadas, lo cual queda todo presentado a continuación.

3.2.6.1 Mallado de la estructura

Como se ha explicado anteriormente, uno de los pasos del MEF es dividir la estructura en múltiples

subdominios más pequeños, dividiendo así el problema de cálculoen problemas más simples igualmente. Al conjunto de subdominios formado por nodos, líneas y pequeñas superficies en su mayoría cuadradas en este

caso, se le denomina malla. También se mencionó que un buen mallado es fundamental para obtener un

resultado lo más cercano a la realidad posible.

De esto se puede deducir que el software calculará tensiones, desplazamientos y demás variables requeridas en cada subdominio de la malla. Al calcularse las soluciones en los nodos y estimarse en el resto del subdominio,

normalmente, cuanto mayor sea el número de nodos y subdominios, más preciso será el resultado. Sin

embargo, un mallado coherente es necesario pues la solución no es siempre aumentar el número de nodos.

Una distribución homogénea de los mismos es crucial para obtener un resultado representativo. Además, a

mayor número de nodos, mayor número de ecuaciones a resolver, por lo que el programa tardará más en

calcular los valores.

En el presente proyecto, la estructura diseñada es bastante sencilla, por lo que no será muy difícil conseguir

una malla adecuada. El mayor inconveniente es la gran división en diferentes secciones de los laterlaes del

subchasis. Si no existiese dicha división, el mallado sería bastante simple y homogéneo. Sin embargo, las

pequeñas áreas generadas por la solapación de múltiples laminados, hace que sea necesario aumentar el número de nodos para poder así dividir dichas secciones en suficientes subdominios para que el resultado sea

representativo.

Adicionalmente, la experiencia del departamento recomienda que la mayoría de los subdominios, y a ser posible todos ellos, sean cuadriláteros, ya que son generalmente más exactos que los triangulares. Muchas

divisiones de los laterales generan tirángulos, por lo que esto también hará que aumentar el número de nodos

para poder así dividir las secciones en cuadriláteros lo más cuadrados posible. ABAQUS ofrece la posibilidad de mallar únicamente con cuadriláteros y para ello marca al usuario en qué zonas es posible y cuáles necesitan

variar el número de nodos en los que están divididos sus lados.

En algunas ocasiones, existe una limitación en el número de nodos que es posible calcular. En este caso, al ser


la estructura bastante sencilla, a pesar de aumentar considerablemente el número de nodos debido a las

diferentes secciones en las que están divididos los laterales, queda dentro de los límites ofrecidos por el

software. La Ilustración 3-8 muestra uno de los laterales tras haber realizado el mallado. Los datos obtenidos a

través del programa son:

- Número total de nodos: 17712

- Número total de elementos: 16926

- 16925 elementos cuadrilaterales lineales de tipo S4R

- 1 elemento triangular linear de tipo S3

Ilustración 3-8 Mallado del lateral de la estructura

3.2.6.2 Condiciones de contorno

Antes de aplicar ninguna carga a la estructura hay que definir cuáles serán sus puntos de apoyo y de qué tipo

de apoyo se tratará, de manera que la estructura quede restringida y no sea un mecanismo. Teniendo en cuenta

la estructura aquí estudiada, la cual se puede considerar una estructura triangulada, y sabiendo que sus puntos de anclaje al chasis quedarán cercanos a los extremos inferiores de las barras laterales A, C y D, lo más lógico

sería modelar los puntos de anclaje como nudos articulados. Sin embargo, se diseñan como un empotramiento

por dos motivos, expuestos a continuación.

El primero de ellos se debe a que aunque el diseño del subchasis estaba muy cerca de ser el diseño definitivo

en ese momento, pues sólo estaba a las espera del cálculo, del cual, por experiencia, se esperaban resultados

positivos, otros componentes de la motocicleta situados cercanos a sus cogidas no habían sido terminados de diseñar. Consecuentemente, no pudo ser definido entonces cuál sería el método de unión entre chasis y

subchasis. Todo apuntaba a que sería a través de un único tornillo por extremo, es decir cuatro tornillos en total

(los extremos de las barras C y D coinciden), pero cabía la posibilidad de tener que usar un adhesivo en caso

de no tener suficiente espacio para maniobrar a la hora de atornillar y desatornillar el subchasis.

El segundo de ellos se debe a que un ensayo con condiciones de empotramiento generaría mayores tensiones,

estando del lado de la seguridad con respecto a un ensayo con nudos articulados.

Por lo tanto, se establece definitivamente condición de empotramiento en todos los puntos pertenecientes a las líneas inferiores del subchasis, impidiendo los desplazamientos y rotaciones en ninguna dirección. La

Ilustración 3-9 presenta su definición en ABAQUS.


68

Ilustración 3-9 Condiciones de contorno

3.2.6.3 Definición de las cargas

Con todo lo que respecta a la estructura definido, únicamente queda por establecer las cargas que se desean

aplicar sobre la estructura.

Anteriormente se ha mencionado que el propósito principal de esta estructura es soportar el peso del piloto y

las cargas que éste pueda transmitirle durante la carrera. Suponiendo que el peso del piloto estará entre los 60-80kg y que en el caso más desfavorable apoyará el total de su peso en el asiento, el ensayo lógico sería una

carga vertical negativa de 800N más el coeficiente de seguridad que se decida establecer. Sin embargo, la

competición realizará una serie de pruebas para certificar la seguridad de la motocicleta, entre la cuales una de ellas consiste en aplicar 250kg de fuerza sobre el asiento. Es por ello que se toma este valor como referencia.

Debido a que el subchasis será fabricado a mano posteriormente, resulta sensato aplicar ciertos coeficientes de

seguridad, por lo que finalmente se decide diseñar una carga equivalente a aplicar una carga en forma de

presión distribuida sobre la superficie del asiento de 3000N, lo cual equivaldría a un coeficiente de seguridad de 1,2.

Para ello se define la carga a través de dos métodos disitintos para asegurar que los resultados son coherentes y

fiables. Uno de ellos es utilizar la herramienta del programa para definir una presión distribuida sobre una determinada superficie, réplica del problema real a evaluar. La Ilustración 3-10 muestra una representación

gráfica de la carga. Se decide distribuir la carga únicamente sobre las superficies laterales del asiento, ya que

las reducidas dimensiones del subchasis harán que el piloto apoye su peso prácticamente sobre los laterales.


Ilustración 3-10 Representación gráfica de la carga en forma de presión distribuida sobre el asiento del

Subchasis

El otro método, denominado Multi Point Constraint (MPC, Restricción de múltiples puntos), consiste en

aplicar la carga en un punto fuera del subchasis, en este caso por encima del asiento, para que luego la carga puntual en dicho punto sea transmitida a los puntos que se desee. La carga se transmite a través de unas

uniones ficticias entre el punto que recibe la carga y los puntos a los que se quiere transmitir, como si de barras

de unión se tratara. La Ilustración 3-11 muestra una representación más clara del funcionamiento de dicho método.

Ilustración 3-11 Representación gráfica del funcionamiento del MPC

Adicionalmente, para poder asegurar la integridad de la estructura, se decide ensayar otra hipótesis de carga

que represente la carga transmitida por el piloto durante el paso por curva donde queda “colgando” de la motocicleta. En este caso se modela una carga lateral de 1000N en forma de presión distribuida sobre la barra

B. Se escoge una carga de 1000N, equivalente a un coeficiente de seguridad de 1,25 sobre el total del peso del


70

máximo peso del piloto asumido, ya que se desconoce la proporción de peso que el mismo apoyaría en el

lateral del subchasis. El coeficiente es mayor que el empleado en las cargas verticales ya que la misma está

aplicada en la dirección más desfavorable para la estructura. Conjuntamente, se escoge distribuir la carga sobre

la barra B en lugar de sobre toda la superficie ya que se trataría del caso más desfavorlable al ser la barra más alejada de los apoyos, generando así la carga un momento mayor. Para este ensayo también se modelan dos

cargas, una en forma de presión uniformemente distribuida sobre una superficie seleccionada y la otra de

nuevo como MPC.

Ilustración 3-12 Representación del ensayo de garga lateral usando el método de MPC

3.3 Resultados

En este apartado se evalúan los resultados obtenidos en los ensayos realizados. Se realizaron un total de diez

ensayos y aquí se explicarán los detalles más relevantes de todos ellos.

En primer lugar se realizaron tres ensayos simulando una carga sobre el asiento de 3000N y dos ensayos simulando una carga lateral de 1000N sobre la barra B con una estructura compuesta únicamente por los

laterlaes y el asiento del subchasis.

Se comprobó que la estructura era capaz de soportar las cargas en términos de tensiones y deformaciones, pero los desplazamientos generados por la carga lateral eran inaceptables. Se diseñó entonces un cierre trasero que

aportara más rigidez lateral a la estructura y se volvieron a realizar tres ensayos simulando una carga de 3000N

sobre el asiento y dos ensayos simulando una carga lateral de 1000N sobre la barra B.

Los siguientes apartados recogen con más detalle el proceso y los resultados obtenidos en los ensayos.

3.3.1 Ensayos sin cierre trasero

Con toda la estructura diseñada y todas las variables definidas, únicamente queda por comprobar si la

estructura es capaz de soportar las cargas a las que sería sometida en la competición. Estas cargas se

resumirían en dos ensayos, uno que simulara un peso sobre el asiento de 300kg y otro que simulara la fuerza aplicada por el piloto en el laterla del asiento al “colgarse” de la moto en el paso por curva, la cual se estimó en

100kg.

En primera instancia, se intuyó que el ensayo determinante sería el de mayor carga, siendo en este caso la presión de 3000N distribuida sobre el asiento. Es por ello que para asegurarse que los resultados eran

coherentes, se realizaron tres ensayos que intentaban simular el problema real de tres maneras distintas.

Los dos primeros ensayos fueron dos MPCs, explicados anteriormente, donde se aplicaba la carga de 3000N

sobre un punto situado por encima del subchasis, el cual está unido a los nodos del asiento por barras ficticias


que les transmiten la carga. La única diferencia entre los dos MPCs es la dirección en la que se aplica la carga

sobre el punto de referencia. En uno de ellos se aplica en la dirección de la gravedad y en el otro perpendicular

al plano del asiento hacia el mismo. El propósito de realizar ensayos ligeramente distintos es corrobar la

consistencia de los resultados.

El tercero consiste en aplicar el total de 3000N de fuerza distribuidos uniformemente en forma de presión

sobre un área seleccionada, en este caso los laterales del asiento debido a que las reducidas dimensiones del

asiento harán que el peso sea prácticamente soportado únicamente por los laterlaes del subhcasis.

La Ilustración 3-13 muestra una representación a escala aumentada de la deformación sufrida por la estructura

junto con un mapa de tensiones en valor absoluto. El mapa de tensiones representa únicamente las tensiones

sufridas por una de las capas del laminado de cada sección, por lo que se decide representar los laminados donde se sufren las máximas tensiones. Igualmente se pueden representar las tensiones de cada una de las

capas por separado, al igual que los valores obtenidos de deformaciones, desplazamientos o para diferentes

criterios/teorías como podría ser Von Misses en el caso de que se utilizara un material isótropo.

Los tres ensayos obtienen valores similares, confirmando la coherencia de los resultados, entre los que se encuentran los valores más representativos listados a continuación:

- σXtmáx: 230,2MPa en la barra trasera del asiento en su capa inerior a 0º (1T80)

- σXcmáx: 246,5MPa en la barra D en la capa exterior a 0º (10D)

- σYtmáx: 13,33MPa en la barra A en la capa interior a 90º (1A)

- σYcmáx: 14,75MPa en la barra D en la capa exterior a 90º (10D)

- σxymáx: 14,75MPa en la barra D en la capa interior a 45 º (4D)

- Máximo desplazamiento: 2,58mm en la barra D

Ilustración 3-13 Representación a escala de la deformación sufrida por la estructura debido a la carga superior

sin cierre trasero junto con parte de los valores de tensión obtenidos (valores de tensión absolutos en la

dirección de la fibra)


72

Para encontrar los valores máximos, se utiliza una herramienta de ABAQUS llamada Envelope, la cual

muestra los valores absolutos máximos en cada punto. Una vez localizados, se identifica a qué barra y a qué

capa pertenecen.

Como se puede observar, al realizar los ensayos, se registran valores muy elevados de tensión, por lo que se estudian las zonas en las que se generan dichos valores. Como se puede ver en la Ilustración 3-14, se trata de

puntos o zonas muy pequeñas como las esquinas de la estructura o, como se observa en la Ilustración 3-15, en

una zona intermedia donde resulta muy extraño que se concentren tensiones. Esto suele deberse a un mal mallado o a la geometría de la estructura, similar al caso de las esquinas. En este caso, la división de los

laterales en múltiples secciones, desfavorece un mallado homogéneo, por lo que aparece un concentrador de

tensiones en el centro de una de las barras. En este caso compensa más identificar el concentrador de tensiones y evaluar los resultados a intentar refinar la malla, ya que ésta ya es bastante fina y la división de los laterales

en sus diferentes secciones no se debe obviar.

Ilustración 3-14 Representación de los concentradores de tensión

Tras este análisis, y asumiendo que los valores de tensiones por tracción máximos rondarán los 230MPa en la barra trasera del asienta si existe el pa, se puede asegurar que aplicando el criterio de Máxima Tensión

utilizando los valores de resistencia definidos en el apartado 3.2.2, a pesar de tratarse de resultados algo

elevados, la estructura soportaría sin problemas la carga aplicada, por lo que se procede a realizar los ensayos de carga lateral. Los resultados de las deformaciones son despreciables.

De nuevo se realizan dos ensayos, uno utilizando la herramienta MPC y otro simulando una presión uniforme

que genera una fuerza total de 1000N sobre la barra B del lateral izquierdo de la estructura. Ambos ensayos

obtienen resultados similares, confirmando de nuevo su coherencia. La Ilustración 3-15 muestra una representación a escala aumentada de la deformación sufrida por la estructura junto con un mapa de tensiones

máximas. Los valores obtenidos son:

- σXtmáx: 1253MPa en la barra A en la capa interior a 0º (1A)

- σXcmáx: 1230MPa en la barra C en la capa exterior a 0º (10C)


- σYcmáx: 64,47MPa en la barra C en la capa exterior a 90º (9C)

- σxymáx: 27,78MPa en la barra C en la capa exterior a 0º (10C)


- Máximo desplazamiento: 21,3mm en la barra B

Ilustración 3-15 Representación a escala de la deformación sufrida por la estructura debido a la carga lateral con cierre trasero junto con el concentrador de tensiones generado por la falta de homogeneidad del mallado.

Los valores de tensión rondarán los 600MPa para las tensiones en la dirección de la fibra y 30MPa para las

tensiones perpendiculares a la dirección de la fibra, entrando dentro de los límites estables de la estructura, aunque se trata de valores bastante elevados. Esto puede deberse a los desplazamientos generados en la parte

superior de los laterales son desmesurados, llegando a superar su magnitud los 2cm.

En un principio se llegó a considerar reducir el ancho de las barras laterales del subchasis al aguantar la

estructura perfectamente las cargas impuestas sin acercarse a los límites de fallo o rotura. Sin embargo, la poca rigidez lateral de la estructura obligó a mantener el ancho de las barras y pensar en alguna solución. Cabe

recordar que es imprescindible que el subchasis sea una estructura lo suficientemente rígida para transmitir las

sensaciones del asfalto al piloto, ya que es su mayor punto de contacto con la motocicleta.

Era necesario añadir cierto soporte estructural que se encontrara cerca de los puntos de anclaje y soportara la

carga lateral en su plano y no perpendiculaer al mismo, como sucede en las barras laterales. Surge entonces la

idea de añadir un tipo de cierre o conjunto de barras en la parte posterior del subchasis, para así dar rigidez lateral a la estrcutura.

3.3.2 Ensayos con cierre trasero

Se realizan tres diseños para intentar solventar los problemas encontrados en los ensayos sin cierre trasero. Las

tres estructuras propuestas se muestran en la Ilustración 3-16. La primera de ellas consiste en dos barras que

van prácticamente desde el nodo 4 de un lateral al nodo 2 del lateral opuesto, pretendiendo así utilizar el mínimo material posible, optimizando la estructura en términos de la relación resistencia/peso. La segunda de

ellas propone un cierre total de la zona trasera, cubriéndola con una única capa de tejido. La tercera busca un

compromiso entre las dos primeras.


74

Ilustración 3-16 Diferentes diseños creados para la solución del cierre trasero

En esta ocasión, los dos primeros ensayos realizados sobre las tres diferentes estructuras son los ensayos laterales, pues fue el ensayo que produjo desplazaminetos inaceptables en la estructura. De las tres estructuras

expuestas en la Ilustración 3-16, la única que ofrece resultados fiables es la segunda y más conservadora, el

cierre total de la parte trasera por una capa de tejido. Los resultados obtenidos son:

- σXtmáx: 357,5MPa en la barra D en la capa interior a 0º (1D)

- σXcmáx: 282,6MPa en la barra D en la capa interior a 0º (1D)

- σYtmáx: 17,7MPa en la barra D en la capa interior a 90º (2D)

- σYcmáx: 16,3MPa en la barra D en la capa interior a 90º (2D)

- σxymáx: 12,2MPa en la barra D en la capa interior a 0º (1D)

- Máximo desplazamiento: 3mm en la barra B

Unos desplazamientos de 3mm entran dentro de los límites aceptables para el comportamiento del subchasis en carrera.

Al tener mayor soporte estructural el subchasis, es evidente que soportará igual o mejor la carga vertical de

3000N, pero aún así se realizan tres ensayos más para conocer las tensiones máximas que soportará la estructura, las cuales son presentadas a continuación:

- σXtmáx: 211,8MPa en la barra A en la capa interior a 0º (1A)


- σYtmáx: 14MPa en la barra B en la capa exterior a 0º (10B)



- Máximo desplazamiento: 1.3mm en las barras laterales del asiento


3.4 Resumen de la etapa pre-fabricación.

Este apartado pretende resumir el resultado obtenido tras la etapa de diseño y cálculo, previa a la fabricación

del prototipo real de subchasis.

Tomando como referencia el modelo de subchasis de la edición anterior, se comenzó haciendo un esbozo en 3D de la geometría del modelo para la competición objeto del presente proyecto. Las primeras directrices

tomadas generadas por las normas de la competición y por el autor fueron:


- La parte trasera superior del subchasis quedaría a la misma altura que el punto medio de la pipa de dirección.

- La parte trasera superior del subchasis quedaría a una distancia horizontal de 900mm del punto medio

de la pipa de dirección.

- La parte delantera del asiento quedaría a una distancia horizontal de 650mm del punto medio de la

pipa de dirección.

- Las barras laterales del subchasis irían ancladas al chasis en sus nodos, donde las cargas transmitidas

por el peso del piloto serían mejor soportadas por el chasis.

- El asiento sería rectangular.

Sin embargo, no era posible llevar a cabo todas esas medidas y conseguir un proceso de fabricación factible al

mismo tiempo, aunque quedó un Sketch, mostrado en la Ilustración 3-17, y un modelo fácilmente modificable para facilitar futuras modificaciones del diseño 3D.

Ilustración 3-17 Sketch base

Por ello y por las modificaciones que fueron surgiendo en la geometría del chasis y los componentes cercanos

a las cogidas del subchasis, como la suspensión o el airbox, se redujeron y modificaron las dimensiones y geometría del subchasis hasta llegar a un modelo definitivo que cumpliera todos los requisitos necesarios. Se

llegó entonces a los siguientes resultados:



dirección.

- La parte delantera del asiento queda a una distancia horizontal de 570mm del punto más alto de la

pipa de dirección.


A

B

D C

PC


76

- La distancia entre los extremos de los nodos 3 y 4 del Sketch base que reposan sobre la línea PC es de

90mm.

- El ancho de las barras laterales de 40mm.

- La distancia entre los extremos de las barras laterales es de 137,45mm, lo que equivale a un ángulo entre el plano del asiento y los planos laterlaes de 112,14º.

- El ancho de las barras laterales del asiento es de 20mm.

- El ancho de la barra delantera del asiento es de 60mm.

- El ancho de la barra trasera del asiento es de 80mm.

Tras llegar a este modelo definitivo, se diseñan las pestañas de anclaje y el molde de fabricación. Las medidas

tan precisas usadas en el modelo del subchasis no son posibles de conseguir por ningún fabricante al alcance del equipo, por lo que se redondean algunas de las medidas del molde y con él las del subchasis y las pestañas.

Estas modificaciones consisten en:

- Ángulo entre plano de las barras laterales y el asiento de

El resultado final es el mostrado por la Ilustración 3-18.

Ilustración 3-18 Diseño definitivo junto al resto de la estructura de la motocicleta.

Con la etapa de diseño 3D terminada, se pasa a la etapa desarrollada en este capítulo. El cálculo de la estructura a través del MEF es crucial para poder asegurar que el rendimiento de la estructura será el deseado.

Se comienza trasladando la geometría al software de cálculo para obtener unos resultados más precisos.

Posteriormente se define el laminado que tendrá la pieza en las distintas zonas donde se solapen distintas

barras. Finalmente, antes de realizar el cálculo y estudiar los resultados, se diseñan los ensayos de carga que se quieren realizar.

El primer ensayo de carga será una carga vertical en la dirección de la gravedad de 3000N aplicada como una

presión uniformemente distribuida sobre la superficie del asiento. La magnitud de la carga representa la carga que será aplicada en las pruebas de la competición con un coeficiente de seguridad de 1,2. Los resultados

obtenidos mostrados a continuación demuestran que la estructura sería capaz de soportar dicha carga sin

inconvenientes.

- σXtmáx: 230,2MPa en la barra trasera del asiento en su capa inferior a 0º (1T80)


- σXcmáx: 246,5MPa en la barra D en la capa exterior a 0º (1D)


- σYcmáx: 14,75MPa en la barra D en la capa exterior a 90º (9D)

- σxymáx: 14,75MPa en la barra D en la capa interior a 45 º (4D)

- Máximo desplazamiento: 2,58mm en la barra D

El segundo ensayo de carga simula una fuerza lateral sobre la barra B del subchasis de 1000N, modelada

igualmente como una presión uniformemente distribuida sobre la superficie de la barra. Este ensayo intenta

simular posibles cargas generadas por el piloto en su paso por curva al “colgarse” de la moto. Los resultados,

mostrados a continuación, demuestran de nuevo que la estructura sería capaz de soportar dicha carga sin llegar a colapsar, sin embargo, los desplazamientos generados son excesivos. El subchasis debe ser una estructura

rígida para poder transmitir las sensaciones del asfalto al piloto.

- σXtmáx: 1253MPa en la barra A en la capa interior a 0º (1A)

- σXcmáx: 1230MPa en la barra C en la capa exterior a 0º (10C)


- σYcmáx: 64,47MPa en la barra C en la capa exterior a 90º (9C)

- σxymáx: 27,78MPa en la barra C en la capa exterior a 0º (10C)

- Máximo desplazamiento: 21,3mm barra B

Dentro de las posibles soluciones, se decide cerrar la parte trasera del subchasis con una capa de tejido, la cual

dará la rigidez necesaria a la estructura sin añadir demasiado peso, mantiendo un diseño óptimo. La Ilustración

3-19 muestra a escala los despalzamientos sufridos por la estructura con los resultados finales aquí expuestos.

- σXtmáx: 357,5MPa en la barra D en la capa interior a 0º (1D)


- σYtmáx: 17,7MPa en la barra D en la capa interior a 90º (2D)



- Máximo desplazamiento: 3mm en la barra B


78

Ilustración 3-19 Deformación del subchasis a escala tras usar el cierre trasero

4 FABRICACIÓN

a última etapa del presente proyecto es la fabricación del prototipo. Tras haber diseñado la geomtría

idónea y haber comprobado que la estructura será lo suficientemente rígida y resistente a través del cálculo de elementos finitos, se puede comenzar la fabicación con plena confianza en el rendimiento que

ofrecerá el resultado. Este capítulo explicará en orden de ocurrencia los pasos seguidos para la fabricación del

subchasis, además de resaltar las principales diferencias y ventajas con respecto al modelo de la edición anterior. Conjuntamente, se detallarán los errores cometidos en el proceso de fabricación para que sirvan de

guía y consejo al lector.

4.1 Etapas

A continuación se detallan los pasos seguidos para la elaboración del prototipo, los cuales han sido realizados mayoritariamente por el autor del proyecto, con ayuda de miembros del equipo US-R Engineering y.del

personal de taller del LERM (Laboratorio de elasticidad y resistencia de materiales), dónde se lleva a cabo

íntegramente el proceso de fabricación.

En la edición anterior se establecieron cuatro etapas para la fabricación:

- Planificación de la fabricación

- Fabricación

- Ensamblaje

- Modificaciones finales

En el presente proyecto, se intenta optimizar el proceso y eliminar las dos últimas etapas. Para ello, ya se llevó

a cabo una optmización muy exhaustiva de la geometría del subchasis, evitando así modificaciones finales, y se intenta optimizar la planificación de la fabricación, además de fabricar el modelo de una pieza, evitando así

la etapa de ensamblaje.

La etapa de planificación de la fabricación hace que se aproveche mejor el material y permite la fabricación

correcta de la geometría diseñada previamente, evitando así errores en las dimensiones o en la forma de la pieza a fabricar. Es por ello que dentro de esta etapa está comprendida la planificación y optimización del corte

de las láminas, descrito más adelante.

La etapa de fabricación es una etapa común para cualquier pieza que se pretenda fabricar con este material. En este capítulo se particulariza la descripción de la fabricación de las partess que constituyen el subchasis

diseñado, pero no es difícil extrapolar un procedimiento general de fabricación a partir de dichas instrucciones.

L

El éxito es aprender a ir de fracaso en fracaso sin

desesperarse.

- Winston Churchill -

Fabricación

80

4.2 Planificación de la fabricación

En esta sección se desarrollan uno a uno los pasos seguidos para planificar la fabricación del subchasis.

4.2.1 Maqueta

En primer lugar, para poder decidir cómo irían apiladas las barras y cómo se entrelazarían sus laminados, se

construyó una maqueta de cartón de las barras laterales que ayudaba a tener una imagen más real de cuál sería

el resultado del diseño, que hasta entonces era íntegramente digital.

Esta maqueta ayudó a reconocer cuánto habría que sobredimensionar las barras en términos de longitud para

asegurar cubrir toda la superficie diseñada previamente y cómo se intercalarían los laminados. Se toma

entonces la decisión de laminar las barrras inicialmente independientes las unas de las otras en sus dos mitades simétricas. Posteriormente se superpondrían de la cara interior del subchasis hacia la cara exterior tal y como

se refleja a continuación con un listado del orden de solapación:

- Nodo 1: T60, B, A, C, A, C, B, T60

- Nodo 2: T80, D, B, D, B, T80

- Nodo 4: C, D, C, D

De esta forma se intentaba reforzar la unión entre las diferentes barras en los nodos y no crear discontinuidades

mayores entre una barra y otra.

4.2.2 Definición del corte del material

Una vez establecidas las dimensiones mínimas de las barras y cómo se intercalarán los laminados, se planifica

el corte del material de manera que no se desperdicie lo menos posible.

En primer lugar, se deben cortar a partir de un rollo de pre-peg de fibra de carbono-epoxi todas las láminas que se necesitan para componer los laminados de las distintas barras del subchasis. En la Tabla 4-1 se recoge un

resumen del total de láminas necesarias, indicando la dirección de la fibra y sus dimensiones.

Las dimensiones de las láminas están sobredimensionadas para tener en cuenta las pérdidas por posible fluidez

de la matriz en los bordes. Para conseguir las dimensiones definitivas se eliminará dicha sobredimensión mediante el corte con un disco de diamante.

Tabla 4-1 Resumen de las láminas necesarias para el laminado de cada barra (T60 barra delantera del asiento,

T80 barra trasera del asiento)

Localización Ancho(mm) Largo(mm) Material Dirección de la

fibra Cantidad

Barra A 40 (+2 mín) 285 290 Unidireccional 0º; 90º; 45º; -45º 8; 4; 4; 4

Barra B 60 (+2 mín) 271 275 Unidireccional 0º; 90º; 45º; -45º 8; 4; 4; 4

Barra C 40 (+2 mín) 254 260 Unidireccional 0º; 90º; 45º; -45º 8; 4; 4; 4

Barra D 40 (+2 mín) 429 435 Unidireccional 0º; 90º; 45º; -45º 8; 4; 4; 4

Barra T60 60 (+2 mín) 188 195 Unidireccional 0º; 90º; 45º; -45º 4; 2; 2; 2

Barra T80 80 (+2 mín) 169 175 Unidireccional 0º; 90º; 45º; -45º 4; 2; 2; 2

Una vez definidas todas las láminas, las direcciones de la fibra y las dimensiones de éstas, se ha de planificar el

orden de corte de dichas láminas a partir del rollo de pre-peg de fibra de carbono-epoxi, cuyo ancho es de 300


mm. Además, se necesita: una escuadra, un cartabón, una regla y un lápiz de color que se vea al pintar sobre el

pre-peg, para marcar las líneas de corte con las medidas y direcciones necesarias para cada pieza a cortar; y un

cúter para realizar dichos cortes.

Si no se dispone de tiempo para cortar todas las láminas y realizar el apilado en una misma sesión se deberán conservar las piezas cortadas, así como el rollo de material pre-peg en un congelador hasta la siguiente sesión

de corte y/o apilado.

Se comienza cortando las láminas con la fibra a 0°:

Con la idea de optimizar el rollo de prepreg sin desperdiciar material, se deben disponer las láminas de manera

que se aproveche el ancho total del rollo. El ancho del rollo es de 300 mm y las piezas a cortar tienen anchos

de 40, 60 u 80mm, anchos que serán sobrdimensionados un mínimo de 2mm para que quede lugar a corregir pequeñas imperfecciones en el corte. Por lo tanto caben aproximadamente 7 barras de 43mm de ancho, 4

barras de 64mm o 3 barras de 84mm. Se debe procurar colocar las piezas de igual largo en paralelo, de forma

que se puedan obtener todas a partir de un único corte, sin necesidad de hacer escalones. Es importante marcar

todas y cada una de las piezas cortadas, para identificar la dirección de la fibra y la zona del subchasis donde debe ir apilada. Para obtener todas las láminas a 0° es necesaria una longitud del rollo de prepreg de 2000mm.

En la Ilustración 4-1 se detalla la distribución del corte.

Ilustración 4-1 Distribución del corte de las láminas a 0º

La cuarta capa a 0° de la barra T80 se cortará por separado, pero se seguirá aprovechando el material con el

corte de capas a 90°.

El bloque de en medio se repite dos veces y se trata del único en el que se pierde material al ser la barra C

15mm más corta que la barra B. Realmente se usan dos capas un poco más largas en la barra C, dejando un poco más de margen, por lo que se puede decir que se usan 12cm

2 (15mmx43mmx2) de material de más.

Las barras blancas en el tercer bloque serán usadas para las capas a 90°.

A continuación se deben cortar las capas con fibra a 90°:

El ancho del rollo no permite obtener el largo de algunas de las láminas con fibra a 90°, por ello dichas piezas

se obtendrán empalmando láminas cuya suma dé el largo necesario de la pieza. Se ha de intentar que las zonas

de unión de las distintas capas no coincidan, ya que en dicha parte existe una discontinuidad del material, si coinciden las discontinuidades de varias capas a la misma altura, se obtiene una zona de menor resistencia en

el subchasis.

A la hora del corte, se procede igual que en la distribución de las láminas a 0°. Del mismo modo que se ha

comentado con las láminas de fibra a 0°, es importante marcar todas las piezas cortadas. Para obtener todas las láminas a 90° es necesaria una longitud del rollo de prepreg de 790mm.

La longitud total necesaria de rollo de prepreg de fibra de carbono-epoxi para el corte de las láminas a 0° y a

90° es de 2.79m.

El área de prepreg utilizada, pero no necesaria, es 12cm2, como se comentó previamente en la sección de

láminas a 0°. En relación al área utilizada (300mm x 2790 mm) supone un porcentaje del 0,14%. La

Ilustración 4-2 muestra como se sprovechan los escalones generados por las láminas de 0º y la Ilustración 4-3

Fabricación

82

muestra parte las secciones ya cortadas.

Ilustración 4-2 Distribución del corte de las láminas a 90º

Ilustración 4-3 Muestra del corte del laminado

Se prosigue con el corte de las láminas a 45° y -45º:

Para ello se traza una línea a 45° y se hacen líneas paralelas a la distancia necesaria, según el ancho de las

barras. Se distribuyen las láminas aprovechando todo el material, como se ha mostrado para los cortes de las láminas a 0° y a 90°. Es inevitable no desperdiciar material en el corte de láminas de 45° y -45º, donde sólo se

desaprovecharía un total de 135mm2. Estos sobrantes se producen en los extremos del rollo, donde al cortar las

láminas a a 45º se generan zonas triangulares.

Para el corte de las láminas de -45º, lo que se hace en esta ocasión es cortar el doble de barras a 45º y luego se

les dará la vuelta, cambiando la dirección de la fibra.

La longitud necesaria del rollo será por tanto, el valor del área necesaria para todas las láminas, 280965mm2x2,

más los sobrantes de material, 135mm2x2, dividido entre el ancho del rollo (300 mm), quedando 1874mm.

En total, para la fabricación de los dos laterales del subchasis es necesaria un área de prepreg de fibra de

carbono-epoxi con la fibra en una dirección de 4,844m, haciendo un total de 1,4532m2 del que se aprovecha un

99,89%. Dichos valores se obtienen a partir de los resultados anteriormente obtenidos.


4.3 Laminado y bolsa de vacío

Una vez se tienen cortadas a partir del rollo de pre-peg de fibra de carbono-epoxi todas las láminas que se

necesitan para componer las piezas del subchasis, se puede proceder al apilado de las mismas.

Es importante ser muy ordenado y limpio durante todo el proceso de apilado, para así evitar cometer algún error en el orden de apilado de las capas con distinta dirección de la fibra, e incorporar partículas al laminado,

las cuales generen desperfectos en el mismo. Por ello mismo las tareas de corte y apilado han de realizarse en

una sala con atmósfera controlada.

Como se comentará algo más adelante, el proceso de fabricación tuvo que ser repetido debido a una malformación generada en el autoclave durante el ciclo de curado. Esto dio la oportunidad de mejorar ciertos

aspectos de la fabricación que no dieron buen resultado en el primer intento. De aquí en adelante se distinguirá

entre las dos tendencias seguidas.

En el primer intento se decidió laminar todo el subchasis en plano sobre un plano con su desarrollo para luego

adaptar todo el conjunto al molde. Para la realización de esta tarea es necesario: una pala de teflón para

presionar las láminas y evitar que queden burbujas de aire entre ellas; un plano con el desarrollo del subchasis

impreso y el molde diseñado y obtenido. Si se dispone de estos tres elementos y de las láminas del apartado anterior cortadas, se puede comenzar con la siguiente secuencia de instrucciones para la realización de un

correcto apilado.

4.3.1 Apilado de las barras laterales del subchasis

1. Fijar el plano o esquema del desarrollo del subchasis a una superficie lisa.

2. Laminar todas las mitades de las barras por separado, dejando el laminado [0,90,0,45,-45] en la mitad

de ellas y [-45,45,0,90,0] en el resto.

3. Colocar las barras sobre el desarrollo en el orden establecido en el apartado 4.2.1.

4. Forrar el útil con teflón, teniendo cuidado de que no queden arrugas y procurando que la cinta

adhesiva utilizada para fijar dicho teflón no caiga en las zonas del útil sobre las que se va a laminar,

para así evitar marcas en la futura pieza.

5. Colocar el subchasis al completo en plano sobre el molde y amoldar su geometría a la del útil, presionando bien para evitar que quede aire atrapado entre las barras. En ocasiones, si la fibra está

muy fría y poco flexible, puede ayudar calentar levemente la estructura.

6. Cubrir las aristas de la estructura con corcho para evitar que la resina fluya en exceso.

Nota: presionar con la pala de teflón cada vez que se unan dos o más láminas para que no queden burbujas de

aire atrapadas entre las diferentes capas.

Ilustración 4-4 Proceso de laminado en plano

Fabricación

84

Ilustración 4-5 Proceso de laminado en plano

Este método, sin embargo, generaba arrugas en la estructura en exceso como se puede observar en la

Ilustración 4-6, pero tras haber calentado la fibra y haberse empezado a adherir la estructura, lo más sensato

era intentar corregirlas sobre el molde y con la bolsa de vacío.

Ilustración 4-6 Adaptacion del laminado en plano al molde

Debido a estos desperfectos, en el segundo intento se decidió laminar directamente sobre el molde, en lugar de

en plano. Esto sería un proceso más complicado y lento, pero que daría resultados mucho mejores y precisos, ya que las barras eran colocadas exactamente en su posición encima del molde y no se generaban apenas

arrugas. Las imágenes a continuación muestran el proceso.


Ilustración 4-7 Laminado sobre el molde barras T60, T80, B

Ilustración 4-8 Laminado sobre el molde barras T60, T80, B, A

Ilustración 4-9 Laminado sobre el molde barras T60, T80, B, A, C

Fabricación

86

Ilustración 4-10 Laminado sobre el molde barras T60, T80, B, A, C, D

Ilustración 4-11 Laminado completo

4.3.1.1 Bolsas de vacío

Una vez finalizado el apilado del subchasis, se construyen bolsas de vacío utilizando teflón, tela respirable (nube), cinta de sellado y válvulas de vacío.

En el primer intento, la gran diferencia con el segundo, la cual fue causante del fallo, fue la idea de cerrar el

molde. Como se vió anteriormente, el molde puede describirse como un placa metálica en U. Era creencia común en el departamento y laboratorio que la bolsa de vacío sufriría perforaciones generadas por las esquinas

y aristas afiladas de la chapa. Por ello se decididió soldar otra U que “cerrara” el molde y se deshiciera de las

esquinas.

Para fabricar la bolsa de vació:

1. Se extendió una gran capa de teflón sobre la mesa de trabajo.

2. Se envolvió el conjunto subchasis molde en una capa de teflón exterior.

3. Se envolvió de nuevo con la nube.

4. Se colocó cinta de sellado sobre la capa de teflón extendida, delimitando un área rectangular cerrada

lo suficientemente grande para que entraran el conjunto subchasis/molde y las válvulas de vacío.

5. Se colocan las partes de ambas válvulas de vacío destinadas al interior de la bolsa dentro de la zona rectangular cerca de una esquina.

6. Se colocó el conjunto subchasis/molde en el centro y se extendió otra capa de teflón de dimensiones

similares al doble del área rectangular recientemente delimitada por la cinta de sellado sobre el

conjunto.

7. Se sellaron ambas capas de teflón la una con la otra de manera que no hubiese ningún resquicio o

arruga por el que entrara o saliera aire.

8. Una vez cerrada la bolsa, colocar las válvulas de vacío, haciendo un orificio en el lugar donde se han


debido colocar las piezas de las válvulas de vacío internas a la bolsa.

9. - Hacer vacío. Dejar la bolsa unas horas y comprobar que el vacío se mantiene. En caso de no ser así,

existen fugas. Revisar la bolsa en busca de dichas fugas hasta que se consiga un correcto vacío.

Ilustración 4-12 Bolsa de vacío del primer intento

En el segundo intento el molde permaneció siendo un placa en U, se lijaron las aristas y esquinas afiladas y se

reforzaron encarcidamente con nube. El proceso fue el mismo y algo más complicado debido a que la bolsa

debía adaptarse a una geometría más compleja que un bloque prismático, teniendo que cubrir múltiples recovecos. El resto del proceso fue el mismo, representado en las imágenes a continuación.

Ilustración 4-13 Sellado de aristas co corcho para evitar que la reina fluya en exceso

Ilustración 4-14 Recubrimiento con teflón

Fabricación

88

Ilustración 4-15 Bolsa de vacío segundo intento

4.3.2 Autoclave

Dichas bolsas se introducen en un autoclave, que podemos apreciar en la Ilustración 4-16. Se conectan las válvulas de vacío y se cierra.

Ilustración 4-16 Primer modelo dentro de el autoclave

El autoclave aplicará el ciclo de curado de la fibra de carbono que se observa en la figura 40, en la cual se

representan los distintos parámetros del ciclo de curado aplicado por el autoclave. Como se puede observar en el gráfico dicho ciclo de curado tiene una duración de 6 horas. Durante la primera hora, la temperatura sube

linealmente, hasta alcanzar la temperatura máxima de 180 °C. Esta temperatura máxima se mantiene durante 4

horas, y a partir de ahí comienza la rampa de bajada o enfriamiento. En cuanto a la presión máxima alcanzada

es de 6 bar, ésta se alcanza también aproximadamente a la hora de comienzo del ciclo, y se mantiene hasta que


se baja a la temperatura de 80 °C, aproximadamente 15 minutos antes de la finalización del ciclo.

Finalizado el ciclo de curado, se abre el autoclave y se extraen las bolsas de vacío con las piezas de material

compuesto. Se abren dichas bolsas de vacío y se retiran las piezas ya curadas. Debido a las tensiones generadas

por la estructura, cabe la posibilidad de que ésta tienda a abrirse, cerrarse o deformarse levemente, fenómeno denominado retracción. Esto también puede contribuir a que sea más difícil extraer la estructura del molde.

En la Ilustración 4-17 se puede observar el resultado del primer intento, con la estructura y el molde

completamente deformados. Al estar el molde vacío por dentro, las chapas de acero de 4mm de espesor no aguantaron la presión generada por el autoclave y el conjunto entero colapsó.

Ilustración 4-17 Primer subchasis tras salir de el autoclave.

La Ilustración 4-18 muestra el prototipo final, prueba de que las aristas y esquinas afiladas pueden ser salvadas

con diferentes técnicas como el rebordeado del molde o el uso abundante de material protector. En ella

también se pueden observar las diferentes secciones generadas por la intersección de laminados.

Ilustración 4-18 Estructura definitiva tras separarla finalmente del molde de acero de 4mm

Fabricación

90

4.3.3 Rebordeado de filos

Una vez se obtienen ya la pieza tras el ciclo de curado aplicado, tan sólo falta recantearla. Para ello:

1. Se retira el corcho que sirve para retener la resina durante el proceso de curado.

2. Se cortan las zonas sobrantes, dando las dimensiones correctas de diseño a la estructura. Para ello se

emplea un disco de diamante refrigerado por agua.

Se obtiene así la estructura previamente diseñada en CATIA, la cual sería la definitiva de no ser por los

desplazamientos laterales generados en algunos de los ensayos de ABAQUS. Según los cálculos, dicha

estructura era capaz de soportar más de 300kg de peso con un peso aproximado de 150g.

Ilustración 4-19 Estructura tras retirar el corcho

4.3.4 Última capa de tejido

Como se ha mencionado anteriormente, debido a los desplazamientos que sufriría la estructura generados por

posibles cargas laterales, es necesario implementar una capa que cierre la estructura por su parte posterior.

Al mismo tiempo, existe el deseo por parte del equipo de fabricar un subchasis más estético, como en muchos

de los modelos de competición, dónde una capa de tejido queda expuesta en la superficie de la estructura.

Es por ello que se decide recubrir toda la superficie del subchasis con una capa de tejido. Ésta deberá haber

sido previamente impregnada por una mezcla de epoxi realizada previamente, ya que normalmente el tejido no

viene preimpregnado en ella. Conjuntamente, el exterior de la estructura del subchasis será impregnado también en resina para facilitar la adhesión de las capas.

En esta ocasión la estructura se secará al aire, ya que no puede ser sometida a un nuevo ciclo de curado, por lo

que deberá ser una resina especial. Adicionalmente, deberá asegurarse que la capa de tejido queda bien fijada y situada durante las 24 horas de secado, ya que esta vez no habrá bolsa de vacío para ajustar la fibra al molde.

El resultado final se puede ver en las imágenes a continuación.


Ilustración 4-20 Recubrimiento de la última capa de tejido

Ilustración 4-21 Rebordeado de filos y taladro de los orificios de anclaje

4.3.5 Montaje

A la hora de anclar el subchasis al chasis, se decide finalmente utilizar un tornillo de métrica por extremo,

reduciendo el total de tornillos de anclaje de dieciséis a cuatro, facilitando el montaje y desmontaje del

subchasis. Para el anclaje del colín al subchasis, se utilizarán dos tornillos sujetos a las barras del asiento y

unos topes de polietileno para asegurar que los tornillos tenían suficiente superficie de contacto y a su vez poder regular levemente la altura del asiento en caso de que fuese necesario con topes de diferentes

dimensiones.

Fabricación

92

Ilustración 4-22 Montaje del subchasis

Ilustración 4-23 Estructura de la motocileta al completo

5 MOTOSTUDENT

n este capítulo se resumen algunas de las experiencias y lecciones aprendidas durante la participación

del prototipo en la competición. Se comenzará exponiendo el papel jugado por el subchasis durante el fin de semana, desde la llegada de la moto hasta las pruebas a las que fue sometido. Posteriormente se

hace una breve exposición de los diferentes materiales compuestos empleados por el resto de equipos

participantes y de su uso.

5.1 El subchasis en la competición

El fin de semana de la competición suele ser un fin de semana muy laborioso, por lo que se vería realmente el

papel que jugaría el subchasis a la hora de trabajar sobre la motocicleta. Como se ha explicado en el capítulo 2

y como se puede observar en los modelos 3D y en las fotos del subchasis ya fabricado, el mismo queda muy próximo a la entrada de admisión del motor, al airbox y al sistema de suspensión trasera de la motocicleta. Sin

embargo, la experiencia durante el fin de semana dejó en evidencia que el subchasis no interfería en exceso a

lo hora de maniobrar en torno a dichos componentes, lo cual refleja que el prolongado y exhaustivo proceso de

diseño en 3D de la pieza benefició posteriormente al trabajo del equipo. Igualmente, quedaba suficiente espacio para poder atornillar y desatornillar los tornillos de anclaje sin excesiva dificultad. Aun así, cabe

recalcar que otra solución igualmente válida habría sido el diseño de unas uniones chasis-subchasis más fáciles

y rápidas de montar y desmontar.

Una de las pruebas de la competición consistió en cronometrar el tiempo empleado en desmontar y montar

todo el carenado de la motocicleta. En este caso, el subchasis fue considerado como parte estructural del

chasis, como es lógico, por lo que no hubo de ser desmontado en dicha prueba. Si por el contrario, en un futuro se crea una estructura única subchasis-asiento-colín, cabe la posibilidad de que la competición considerara la

pieza entera como parte del carenado, por lo que el diseño de una unión subchasis-chasis más eficaz sería de

gran importancia.

En lo que concierne a la rigidez de la estructura, el cierre trasero y la última capa exterior, con principal motivación estética, terminaron de dar la rigidez lateral que necesitaba la estructura para transferir al piloto las

sensaciones del asfalto en su contacto con el asiento, confirmando él mismo la estabilidad ofrecida por la

estructura. Como se ha comentado en capítulos anteriores, la prueba de la competición que más influiría sobre el subchasis sería un ensayo de carga de 250kg de fuerza sobre el asiento. Los ensayos de carga realizados

utilizando el MEF simulaban una carga de 300kg de fuerza y las tensiones máximas generadas eran más de

tres veces menores que las tensiones de rotura de las láminas (la mayoría de ellas en concentradores de tensión), por lo que como predijeron los cálculos, la estructura superó la prueba sin sufrir alteración visible. La

prueba se realizó inmovilizando las ruedas de la motocicleta y aplicando presión sobre el asiento con una

E

Escoge un trabajo que te guste y nunca tendrás que

trabajar ni un solo día de tu vida.

- Confucio -

Motostudent

94

prensa manual.

Por último, señalar que dentro de las dos competiciones intrínsecas al campeonato (proyecto de ingeniería y

pruebas técnicas), el equipo US-R Engineering consiguió el tercer puesto en la competición por el mejor

proyecto de ingeniería de entre las 32 universidades participantes de todo el mundo, lo cual supuso un gran orgullo y recompensa para el esfuerzo realizado por todo el equipo.

5.2 Aprendizaje en la competición

Esta sección, menciona y explica brevemente los diferentes aspectos, técnicas e innovaciones empleadas por

otros equipos que podrían ser útiles para un futuro diseño.

En lo que respecta al resto de los equipos, de entre las 32 universidades participantes, alrededor del 30%

utilizaron materiales compuestos de fibra de carbono, la mayoría de ellos como parte del carenado. Destacaron

la universidad italiana de Torino por el acabado de las piezas de su carenado, el cual dejaba en evidencia la necesidad de usar un molde hembra a la hora de buscar la estática de la fibra de carbono, y la universidad de

Valencia al hacer un chasis y basculante completos en fibra de carbono de sección hueca. El gran problema de

realizar secciones huecas en fibra de carbono surge de la retracción que sufre la fibra tras el ciclo de curado, lo

que hace que se ajuste tanto al molde que dificulta en gran medida su separar la pieza del mismo. La solución propuesta en este caso fueron moldes de silicona inflables. Éstos son inflados en exceso de manera que al

meternos en el autoclave, la presión producida por el mismo los devuelva al tamaño deseado, curando así la

pieza en las dimensiones requeridas. Al retirar el conjunto pieza-molde de el autoclave, sólo habría que desinflar el molde para poder separarlo fácilmente de la pieza.

También cabe señalar la idea que ganó el premio de innovación, ya que trataba de un sistema de ensamblaje

del carenado magnético, el cual se desmontaba instantáneamente una vez la corriente dejase de correr por los imanes artificiales.

6 CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS

ara finalizar la memoria del presente proyecto se desarrolla un capítulo de conclusiones y desarrollos

futuros, en el que se hace un balance general y crítico del resultado obtenido tras la realización del proyecto. Para ello se mencionarán los pasos seguidos y desarrollados en los capítulos anteriores junto

con las deducciones obtenidas y lecciones aprendidas en cada uno de ellos. Posteriormente se confirmará a

modo de resumen que se cumplen los objetivos establecidos al comienzo del proyecto, junto con las mejoras respecto a estos y aquellos aspectos que podrían haberse llevado a cabo de manera diferente. Para cerrar el

proyecto se presenta una sección con posibles desarrollos futuros y mejoras sugeridas por el autor para

proyectos venideros.

6.1 Conclusiones

En esta sección se resumirán los pasos seguidos en este proyecto junto con las conclusiones y lecciones

sacados de cada uno de ellos, se confirmará la consecución de los objetivos y se señalarán las posibles mejoras

del proyecto.

El objetivo del proyecto aquí expuesto es el desarrollo de una estructura que soporte las posibles cargas generadas por el peso y el estilo de conducción del piloto de una motocicleta de competición, y que a su vez

sirva para transmitirle al mismo las sensaciones que genera el contacto de la motocicleta con la pista. A esta

estructura se la denomina subchasis.

El proyecto ha sido desarrollado con el mismo orden con el que se llevaron a cabo los pasos para la creación

del proyecto cronológicamente.

El primer paso es definir el valor añadido del proyecto con respecto a los de años anteriores. Se decide optar por una optimización del modelo inmediatamente anterior, un subchasis fabricado en material compuesto de

fibra de carbono simulando una estructura de barras. Para ello se establecen unos objetivos técnicos

ambiciosos pero coherentes que son principalmente la reducción de tamaño y peso de la estructura, mejora

estética y mejora de los procesos de diseño cálculo y fabricación.

El diseño en 3D de la estructura queda reflejado en el segundo capítulo desarrollando todos los pasos seguidos,

explicando la evolución de la estructura y exponiendo todas las partes diseñadas. La flexibilidad del modelo

creado para cambiar sus medidas fácilmente se hace evidente al ver la adaptabilidad del modelo a los múltiples cambios realizados sobre el mismo, presentándose como un modelo muy eficiente para el diseño.

Otra de las lecciones aprendidas del diseño en 3D es que puede ser una herramienta muy útil no sólo para

definir la pieza y su ensamblaje e interacción con el resto de la motocicleta, sino también para planificar la

P

No existen más que dos reglas para escribir: tener algo

que decir y decirlo.

- Oscar Wilde -

Conclusiones y desarrollos futuros

96

fabricación de la misma, principalmente para piezas fabricadas por etapas, donde el orden y la planificación

son cruciales para obtener el producto deseado.

La etapa de cálculo se desarrolla de manera muy similar a la etapa anterior en el tercer capítulo de la memoria.

Dicho capítulo resulta de gran utilidad en primer lugar para ver las múltiples posibilidades que ofrece el uso de programas de cálculo del MEF. Sin embargo, se aprende que puede resultar una tarea más laboriosa que la de

diseñar piezas en 3D y que requiere un cierto nivel de entendimiento del comportamiento mecánico de los

materiales. Este capítulo además incluye los resultados más relevantes obtenidos de diez simulaciones diferentes pertenecientes a dos ensayos de carga aplicados sobre el subchasis.

Estos resultados revelan la importancia de la etapa de cálculo con diferentes variables, ensayos y posibilidades

para el proceso de creación de una pieza estructural, ya que sacan a la luz la falta de rigidez lateral de la estructura, obligando a buscar una solución rápida y eficaz. Tras la modificación de la estructura, los

resultados aseguran que la estructura aguantará las diferentes pruebas a las que será sometida sin mayor

dificultad.

El cuarto capítulo relata las diferentes etapas completadas en la fabricación del subchasis, desde su planificación hasta que se saca de el autoclave. Así mismo, expone la importancia de cada una de las fases de

la fabricación, dónde el objetivo final es conseguir optimizar la utilización de material a la vez que se consigue

una estructura capaz de ofrecer el rendimiento deseado.

Este capítulo también menciona los errores cometidos a lo largo del proceso de fabricación, que

principalmente fueron la elección de laminar todas las capas en plano para posteriormente doblarlas sobre el

molde, lo cual generó muchas arrugas en los dobleces, y utilizar un molde hueco en el autoclave, el cual quedó completamente deformado por la presión aplicada. Sin embargo, la deformación del primer prototipo hizo

necesaria la creación de un segundo, el cual se realizó sin los fallos anteriores obteniendo un resultado muy

satisfactorio.

Finalmente, el capítulo anterior relata brevemente la experiencia a lo largo de la competición, resaltando principalmente el papel del subchasis en ella y las diferentes tecnologías aprendidas relativas al mundo de los

materiales compuestos, algunas de ellas presentadas en la próxima sección de desarrllos futuros.

Para concluir la sección, se presentan los objetivos marcados al comienzo del proyecto junto con los resultados obtenidos tras su realización.

Uno de los principales objetivos para la optimización del presente proyecto marcados al comienzo del

proyecto fue una reducción del material empleado y del peso de la estructura. Para ello se diferencian dos

momentos en los que se pesó el subchasis, uno cuando únicamente constaba de las capas estructurales de aproximadamente 0,150kg (pesado con una balanza no muy precisa y sin repasar las aristas) y otro tras

aplicarle las diferentes capas estéticas de tejido junto con la abundante resina para dar brillo de 0,459kg (a la

espera de que lo pese el equipo). Podría afirmarse que la estructura reduce su peso al 17% del peso del prototipo de la edición anterior de 0,870kg en el primer caso. El prototipo final resulta en un 52,7%. Dichos

resultados demuestran la consecución más que satisfactoria del primero y más importante de los objetivos.

Junto con el objetivo previo, se marcó el objetivo de optimizar la estructura. Además de las dimensiones visiblemente inferiores a las de la edición anterior, ninguna de las barras laterales supera los 40mm de ancho,

optimizando así la estructura igualmente, pues algunas de las barras del subchasis previo rondaban los 50mm y

60mm.

La estética de la pieza recibió los cumplidos del equipo y de la organización Motostudent, aunque se trata de un objetivo bastante más subjetivo.

En lo que respecta al diseño, cálculo y fabricación de la estructura, parte queda expuesto en los párrafos

anteriores. Como ya se ha mencionado, el modelo de diseño 3D resulta más preciso, fácilmente modificable, flexible y útil para los siguientes pasos de cálculo y fabricación.

El cálculo de tensiones a través del MEF se realiza de manera más exhaustiva y detallada, acercándose más a

la realidad y contemplando diferentes hipótesis de carga, pudiendo así optimizar aún más la estructura en términos de resistencia y peso, e identificar posibles fallos futuros de la estructura, como es el caso de la baja

rigidez lateral inicial.

El método de fabricación queda claramente simplificado reduciendo todo el subchasis a una sola pieza curada


en el autoclave, eliminando el proceso posterior de ensamblaje, consiguiendo una estructura más simétrica,

homogénea y ligera.

6.2 Desarrollos futuros

Esta última sección intenta presentar algunas posibles ideas para mejorar o darle otra vuelta de rosca al proyecto aquí expuesto.

Como se ha podido ver a lo largo de la memoria, se trata de un proyecto de optimización, donde los resultados

son más que satisfactorios en términos estructurales, por lo que las mejoras aquí expuestas están

principalmente dirigidas a la estética y la funcionalidad de la pieza.

Con el rápido desarrollo que está experimentando el mundo de los materiales compuestos y su alrededor,

ciertas cosas que quedaban lejos del alcance del equipo cuando se realizó el proyecto pueden resultar posibles

hoy en día. El primero es la consecución de un molde hembra para el subchasis con el objetivo de conseguir un acabado en la capa exterior del mismo similar o igual a las piezas de competición. En el caso de que no fuese

posible, es opinión del autor que podría llevarse a cabo el mismo proceso de fabricación que en el presente

proyecto, pero laminando las barras en el interior de la chapa, lo cual resultaría en un método mucho más

laborioso al tener que laminar una a una todas las capas sobre el molde para evitar arrugas, pero el resultado final sería mucho mejor estéticamente.

Otra posible mejora sería la conversión de colín y subchasis en una sola pieza, muchos equipos de competición

lo llevan haciendo unos años. Con la impresión 3D, hoy en día sería más sencillo conseguir un molde tan complejo, si no podría utilizarse la idea desarrollada por el equipo valenciano creando moldes de silicona

hinchable. En este caso el proyecto se centraría principalmente en el modelo de cálculo de elementos finitos

para asegurar que una distribución aleatoria de la fibra garantizaría la integridad de la estructura, ya que al laminar dicha pieza, sería muy complicado asegurar que la fibra lleva la dirección deseada.

Con respecto a la funcionalidad de la pieza, merecería la pena estudiar las uniones magnéticas entre piezas, ya

que facilitan enormemente el demontaje del carenado.

En caso de querer seguir optimizando la estructura, la mejor opción sería de nuevo un exhaustivo cálculo haciendo uso del MEF para optimizar la estructura al máximo, consiguiendo así una pieza ultraligera y simple.

REFERENCIAS

[1] Real Academia Española, Diccionario de la lengua española, Madrid, 2001.

[2] Gobierno de España, «Dirección General de Tráfico,» [En línea]. Available: www.dgt.es. [Último acceso:

Septiembre 2016].

[3] Motocicleta clásica, «Motocicleta clásica,» [En línea]. Available: www.motocicletaclasica.es. [Último

acceso: Enero 2016].

[4] T. Foale, Motocicletas. Comportamiento dinámico y diseño del chasis. El arte y la ciencia, 2002.

[5] US-R Engineering, «US-R Engineering,» 2014. [En línea]. Available: www.usrengineering.com. [Último

acceso: Mayo 2016].

[6] D. Holloway Campos, Diseño de mecanimos de suspensión trasera flotante para motocicletas de

competición, Sevilla, 2014.

[7] I. M. Fernández Alves, Diseño, cálculo, optimización y fabricación de un subchasis para una motocicleta

de competición, Sevilla, 2014.

[8] F. París, J. Cañas, J. C. Marín y A. Barroso, Introducción al análisis y diseño con materiales compuestos,

Sevilla.

[9] J. Márquez Linares, Diseño, cálculo, pruebas de fabricación y fabricación de un subchasis en material

compuesto para una motocicleta de competición, Sevilla, 2010.

[10] Universidad de Sevilla, Resistencia de Materiales, Sevilla.

[11] Universidad de Sevilla, Formulario de matrices de rigidez para barras de nudos rígidos o articulados,

Sevilla.

[12] SIMULIA, Manual CATIA 5.19.

[13] KTM, «KTM - Ready to race,» [En línea]. Available: www.ktm.com. [Último acceso: Diciembre 2013].

[14] SIMULIA, Manual ABAQUS 6.14.

Anexos

100

100

ANEXOS

Anexo A – Normativa Motostudent III Edición


Anexo A

proyecto fin de carrera ingeniería...

Documents