Ciencias Técnicas y Aplicadas
Artículo de Investigación
Application of tilt tests (Tilt test) according to current regulations in a Formula SAE prototype
Aplicação de testes de inclinação (Tilt test) de acordo com as normas vigentes em um protótipo de Fórmula SAE
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Correspondencia: lfbuenanio@espoch.edu.ec
*Recibido: 29 de mayo del 2022 *Aceptado: 02 de junio de 2022 * Publicado: 28 de julio de 2022
I. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Mecánica, Carrera de Ingeniería Automotriz, Riobamba, Ecuador.
II. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Mecánica, Carrera de Ingeniería Automotriz, Riobamba, Ecuador.
III. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Mecánica, Carrera de Ingeniería Automotriz, Riobamba, Ecuador.
IV. Investigador Independiente, Riobamba, Ecuador.
V. Investigador Independiente, Riobamba, Ecuador.
Resumen
En este trabajo se presenta el diseño y fabricación de una plataforma que permita realizar la prueba de inclinación (Tilt Test) en un vehículo monoplaza de la Carrera de Ingeniería Automotriz de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo para verificar el cumplimiento de esta prueba según el reglamento de la SAE. Se inicia con la etapa de diseño realizando cuatro plataformas diferentes haciendo uso del software SOLIDWORKS, posteriormente, se lleva a cabo la simulación de cada diseño con ayuda del software ANSYS, a fin de obtener un diseño eficiente, económico y que sea capaz de resistir cargas de hasta 5000 N correspondiente al peso del monoplaza y del piloto. Se obtuvo un factor de seguridad alrededor de 1.58 en inclinación de 45° de la plataforma y 1.70 a 60° para el diseño elegido. En la construcción de la plataforma se utiliza perfilería cuadrada, correa en G, plancha antideslizante y perfil rectangular de calidad ASTM A36; conjuntamente, se utiliza un proceso de soldadura de tipo TIG y una pintura electrostática. Se realiza el ensamble de la plataforma y se ejecuta la prueba de inclinación con el vehículo tipo SAE y se verifica que el monoplaza cumple con este requisito (prueba Tilt Test) según la normativa SAE.
Palabras Claves: Fórmula SAE; TIG; pintura electrostática; plataforma de inclinación; prueba de inclinación; singularidad de mallado.
Abstract
This work presents the design and manufacture of a platform that allows performing the tilt test (Tilt Test) in a single-seater vehicle of the Automotive Engineering Career of the Higher Polytechnic School of Chimborazo to verify compliance with this test according to the regulations. of the SAE. It begins with the design stage, making four different platforms using the SOLIDWORKS software, later, the simulation of each design is carried out with the help of the ANSYS software, in order to obtain an efficient, economical design that is capable of resisting loads. up to 5000 N corresponding to the weight of the car and the driver. A safety factor of around 1.58 was obtained at a 45° tilt of the platform and 1.70 at 60° for the chosen design. In the construction of the platform, square profiles, G-belts, non-slip plates and rectangular profiles of ASTM A36 quality are used; Together, a TIG-type welding process and electrostatic painting are used. The assembly of the platform is carried out and the tilt test is carried out with the SAE type vehicle and it is verified that the car meets this requirement (Tilt Test) according to the SAE regulations.
Keywords: SAE formula; TIG; electrostatic painting; tilt platform; tilt test; meshing singularity.
Resumo
Este trabalho apresenta o projeto e fabricação de uma plataforma que permite realizar o teste de inclinação (Tilt Test) em um veículo monolugar da Carreira de Engenharia Automotiva da Escola Superior Politécnica de Chimborazo para verificar a conformidade deste teste de acordo com os regulamentos. de o SAE. Inicia-se com a etapa de projeto, fazendo quatro plataformas diferentes utilizando o software SOLIDWORKS, posteriormente, a simulação de cada projeto é realizada com o auxílio do software ANSYS, a fim de obter um projeto eficiente, econômico e capaz de resistir a cargas. até 5000 N correspondente ao peso do carro e do motorista. Um fator de segurança em torno de 1,58 foi obtido para uma inclinação de 45° da plataforma e 1,70 a 60° para o projeto escolhido. Na construção da plataforma são utilizados perfis quadrados, correias G, placas antiderrapantes e perfis retangulares de qualidade ASTM A36; Juntos, são utilizados um processo de soldagem do tipo TIG e pintura eletrostática. É realizada a montagem da plataforma e o teste de inclinação é realizado com o veículo tipo SAE e verifica-se que o carro atende a esse requisito (Teste de inclinação) de acordo com a regulamentação SAE.
Palavras-chave: SAE formula; TIG; electrostatic painting; tilt platform; tilt test; meshing singularity.
Introducción
La Fórmula SAE es una competición automovilística en la que participan estudiantes de universidades de todo el mundo [1], para clasificar a este tipo de competencia el vehículo Fórmula SAE debe pasar por varias etapas, destacándose las pruebas dinámicas y estáticas. Dentro de la etapa de pruebas estáticas se encuentra la prueba Tilt Test, siendo un requisito indispensable para la participación del vehículo monoplaza [1]. Esta prueba consiste en inclinar el vehículo a 45 y 60 grados para comprobar su estabilidad antivuelco y el derrame de fluidos [2].
Desde que la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo formó parte de la Shell Eco – Marathon en Brasil el año 2018, se ha alentado más este tipo de participaciones en grandes eventos por lo que la Escuela de Ingeniería Automotriz de la ESPOCH ha construido un vehículo monoplaza para la participación en la Fórmula SAE. Al no poseer un equipo para realizar la prueba tilt test y verificar si el vehículo cumple con este requisito se optó por la construcción de la plataforma de inclinación.
En la Universidad de las Fuerzas Armadas de Latacunga ya se había realizado un trabajo similar [2], sin embargo, la alternativa que se presenta en este trabajo tiene un costo menor y se diferencia principalmente en el mecanismo usado para la inclinación de la plataforma puesto que se emplea un motor de winche eléctrico que se encarga de generar la fuerza necesaria para levantar el monoplaza, el piloto y la plataforma .
El presente trabajo muestra el diseño y simulación de 4 plataformas, para esto se toma en cuenta materiales que sean capaces de soportar grandes cargas y que se encuentren dentro del mercado local ecuatoriano. También se compara los resultados obtenidos de cada simulación y se selecciona la mejor alternativa en base a su factor de seguridad y el coste fabricación de cada plataforma, después se realiza la construcción de la plataforma y finalmente se realiza la prueba de inclinación en el Fórmula SAE de la Carrera de Ingeniería Automotriz.
A. Marco Legal
En el documento del reglamento SAE del año 2020 se establece las lineamientos y requisitos que se deben cumplir para la aprobación de la prueba de inclinación, prueba que se realizará a todos los vehículos monoplaza de la competencia que se realice. Los requisitos de la prueba de inclinación son:
a) El vehículo debe contener la cantidad máxima de líquidos que puede transportar.
b) El conductor más alto debe estar sentado en la posición de conducción normal.
c) Las pruebas de inclinación se pueden realizar en una o ambas direcciones para aprobar. [1]
El criterio a tomar en cuenta es que no haya fugas de fluido de ningún tipo cuando el vehículo está inclinado a un ángulo de 45 ° con respecto a la horizontal. [1] y que el vehículo no rueda cuando se inclina en un ángulo de 60 ° con la horizontal, correspondiente a 1,7 g. [1] . Las pruebas de inclinación deben aprobarse antes de que un vehículo pueda intentar realizar más inspecciones. [1]
B. Objetivos del Estudio
En base a este requerimiento el trabajo que se presenta pretende diseñar y construir una plataforma que permita realizar la prueba Tilt Test, para lograr esto se han planteado los siguientes objetivos específicos:
· Analizar los resultados obtenidos en la simulación de los diseños de las plataformas de pruebas Tilt Test con ayuda de software CAE con la finalidad de comparar el comportamiento bajo la carga del vehículo FSAE y seleccionar la mejor alternativa para su construcción.
· Realizar una prueba final a la plataforma en conjunto con el vehículo Fórmula SAE a fin de comprobar que el funcionamiento del mecanismo para inclinar la plataforma garantice que se pueda ejecutar la correspondiente prueba de acuerdo con la normativa SAE vigente.
Metodología
En la elaboración del presente proyecto se usa el marco metodológico que se representa en la Fig. 1, por lo que este proyecto consta fundamentalmente de 5 etapas para la realización de la plataforma de inclinación [].
Fig. 1. Metodología utilizada en el presente proyecto.
Para llevar a cabo la correcta ejecución del proyecto se prosigue el orden metodológico que se muestra en la Tabla 1 [3].
Metodología
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TIPO DE INVESTIGACIÓN |
TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN |
INSTRUMENTOS DE INVESTIGACIÓN |
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Investigación científica |
Diseño y modelación de la plataforma de inclinación |
Investigaciones previas Artículos científicos Normas SAE Software CAD |
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Análisis de la plataforma |
Software ANSYS |
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Análisis y comparación de resultados |
Software ANSYS |
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Construcción |
Manufactura aditiva |
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Prueba de inclinación en el monoplaza FSAE |
Prueba de inclinación según el reglamento SAE |
Para llevar a cabo el diseño y simulación es recomendable utilizar un computador de gama media o alta para reducir el tiempo de diseño y simulación, ya que, al ser diseños un tanto complejos los softwares CAD/CAE requieren de varios recursos del computador por lo que, se recomienda que el computador tenga un buen procesador y tarjeta gráfica.
Para llevar a cabo la construcción de la plataforma de inclinación es necesario las herramientas, equipos y materiales que se muestran en la Tabla 2 [4, 6].
Herramientas, equipos y materiales
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Materiales |
Equipos y herramientas |
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Tubo cuadrado 50x3 (mm) |
Amoladora |
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Tubo rectángulo 20x40x1,5 (mm) |
Taladro |
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Plancha |
Escuadra |
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Plancha corrugada |
Soldadora TIG |
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Servicio de corte para plancha |
Compresor |
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Correa G 60x30x1,5 (mm) |
Martillo de bola |
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Platina 50x50x6 (mm) |
Flexómetro |
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Fuente de alimentación de 12v |
Prensa |
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Winche eléctrico |
Esmeril |
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Polea guía del riel ascendente |
Sierra manual |
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Polea central |
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Inclinómetro magnético |
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Correa de amarre con tensor |
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Rueda de goma (250 lb) |
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Cable de electrodo |
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Discos de corte |
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Cable de acero 1/4 in (metros) |
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Pintado electrostático |
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Lija (Diferente medida) |
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Pernos (Diferentes medidas) |
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Tuercas (Diferentes medidas) |
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Tiñer (Litros) |
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Diseño y construcción de la plataforma de inclinación
Se expone la realización de cada uno de los diseños propuestos para la construcción de la plataforma, se partió de la revisión previa de otros trabajos y propuestas como los presentados en [7, 9].
- Primer diseño
Este diseño se realizó a partir de un bosquejo inicial como se puede ver en la Fig. 2, que se conforma por dos elementos: la base y la plataforma.
Fig. 2. Bosquejo de la plataforma de inclinación.
Para el dimensionamiento tanto de la base como de la plataforma se toma en cuenta las medidas del FSAE, a partir de esto se asigna unas medidas de 1870 mm de ancho y 3015 mm para la estructura base, en este diseño esta estructura serviría de apoyo para la plataforma por lo que se optó por usar un perfil estructural robusto cuadrado de 100x4 mm. En la Fig. 3, se muestra el diseño de esta base, también se emplea un riel guía tanto en la columna de soporte como en los extremos con la finalidad de que la plataforma pueda inclinarse mientras el motor winche eléctrico tira con un cable de acero.
La plataforma del primer diseño se dimensionó con unas medidas de 1890mm de ancho y 3040 mm de largo y se le asigna un perfil cuadrado de 100x3 mm como se puede ver en la Fig. 4, esta se situaría sobre la estructura base y el cable de acero se conectaría a un punto medio en el extremo inferior para poder tirar de la plataforma.
Fig. 3. Primer diseño de la estructura base.
La plataforma móvil del primer diseño tenía un sobredimensionamiento, en el apartado de simulación se detalla más a fondo, además que el coste de adquisición es muy elevado por lo que se sigue a un segundo diseño mejorando estos apartados y su funcionalidad.
Fig. 4. Primer diseño de la plataforma móvil.
- Segundo diseño
Para el segundo diseño de la base estructural se asigna unas medidas de 2900 mm de ancho y 3126 mm de largo, se usa un perfil cuadrado de 50x3 mm y otro rectangular de 70x3 mm colocado para dar un mejor soporte en la columna de la estructura. El cambio más notorio es que la base rodea la plataforma permitiendo que las vigas exteriores sirvan de guías para poder inclinar la plataforma.
Fig. 5. Segundo diseño de la estructura base.
En la plataforma se usa un perfil cuadrado de 50x4 mm de acero estructural para tener una mejor resistencia a los esfuerzos generados en los apoyos, también se aumenta las dimensiones a 2000 mm de ancho y 3000 mm de largo. El principal cambio en la plataforma móvil es que se sitúan vigas transversales para evitar una deformación en los extremos y también se sitúan vigas longitudinales donde se apoyarían las ruedas del FSAE evitando el pandeo de la plancha de acero corrugada. Se incorpora dos ruedas goma en los extremos inferiores para que sigan los rieles de la base y en el centro superior se coloca un soporte para el cable de acero del winche.
Fig. 6. Segundo diseño de la plataforma móvil.
- Tercer diseño
En el tercer diseño se utiliza perfilería cuadrada de 50x4 mm, en este caso se utiliza dos perfiles a longitudinal y transversalmente. Los perfiles longitudinales se encuentran más cerca de modo que soporte el peso del Fórmula SAE ya que en esta sección irá ubicadas las llantas del monoplaza; de esta manera se trata de evitar la deformación y pandeo de la estructura metálica y de la plancha antideslizante. En este diseño se agrega dos bases laterales en donde se ubican las ruegas de goma las mismas que irán asentadas en la base y servirá como sistema de riel para lograr inclinar la plataforma a los diferentes ángulos deseados con la horizontal.
Fig. 7. Estructura del primer diseño de la plataforma móvil.
- Cuarto diseño
En este cuarto diseño se cambió la perfilería por uno de menor espesor de 50x3 mm y manteniendo las medidas de la longitud y del ancho del diseño anterior. La reducción del espesor no se ve afectado en gran medida por la deformación a la hora de entrar en funcionamiento, sin embargo, si se ve reflejado en la reducción de coste del material. Lo que se le agregó en este diseño fue un perfil rectangular de 50x25x2 mm a cada lado donde se ubicarán las ruedas, esto con la finalidad de colocar la plancha antideslizante y evitar su deformación.
Fig. 8. Estructura del cuarto diseño de la plataforma móvil.
- Fuerza requerida del motor eléctrico para romper la inercia de la plataforma
Una vez culminado la fase de diseño, se procede a analizar los esfuerzos que se encuentran presentes en la plataforma de inclinación en el momento de realizar la prueba basculante.
Para proceder a realizar los cálculos matemáticos es necesario conocer ciertos valores los cuales se obtendrán del software CAD/CAE para lo cual es necesario realizar un diagrama de cuerpo libre como se visualiza en la Fig. 9, para identificar los esfuerzos que se encuentran presentes en el mecanismo.
Fig. 9. Diagrama de cuerpo libre y descomposición de fuerzas.
Los datos obtenidos a partir del software se pueden visualizar en la Tabla 3.
Datos obtenidos del software SolidWorks
|
Detalles |
Cantidad |
|
Masa del Fórmula SAE (kg) |
350 |
|
Masa de plataforma (kg) |
161 |
|
Masa del conductor (kg) |
75 |
|
Ángulo α (°) |
87,12 |
Posteriormente, se procede a realizar los cálculos de las fuerzas que intervienen en el mecanismo.
- Cálculo de tensión del cable
a) Tensión en X
(2)
b) Tensión en Y
(3)
c) Sumatoria de fuerzas en X
d) Sumatoria de fuerzas en Y
(4)
(5)
(6)
(7)
- Parámetros de simulación
Una vez finalizados los diseños, se pasa a la fase de la simulación, por lo que primero se exporta la geometría al entorno de ANSYS, se genera el diseño y se configura para realizar el análisis estático de la plataforma móvil ya que este es el principal elemento que estará sometido bajo la carga de 5000N. Para el mallado de la plataforma, se emplea uno controlado automáticamente por el software con un orden de modelo lineal, por lo que el programa asigna una forma de elemento combinada entre tetraedros y hexaedros. Para el tamaño del elemento se asigna un valor de 4 mm generando una calidad de elemento bastante buena alrededor de 0,8 teniendo una variación mínima de este valor en cada diseño.
En la Fig. 10, se muestra la ubicación de las fuerzas y puntos de apoyo en la plataforma. A cada diseño se le asigna 4 fuerzas en dirección -Y (A, B, C, D) de 1250N en cada punto de apoyo de los neumáticos equivalentes al peso del FSAE y del piloto, también se considera la gravedad y finalmente los dos puntos de apoyo de las ruedas (G, H) y el punto de apoyo en la parte central superior donde se sujeta al cable de acero del winche (E).
Fig. 10. Condiciones de simulación
En cada análisis estático se evalúa 3 variables principales:
- Deformación total
- Tensión equivalente Von - Mises
- Factor de seguridad
- Simulación del primer diseño
1) Simulación a 45 grados de inclinación
La deformación total de la plataforma cuando está a 45 grados de inclinación es de 0,67 mm, esta deformación se produce principalmente en los puntos apoyo de los neumáticos del FSAE.
Fig. 11. Deformación del primer diseño a un ángulo de 45 grados.
La tensión máxima alcanzada en este diseño es de 134 MPa ubicada en los apoyos inferiores de las ruedas de goma de la plataforma, sin embargo, se puede observar que la estructura en general se somete a una tensión no mayor a 14,9 MPa.
Fig. 12. Tensión máxima y mínima del primer diseño a 45 grados.
El factor de seguridad de la plataforma inclinada 45 grados es de 1,86 y de igual manera la estructura en general tiene un factor de seguridad de 15.
Fig. 13. Factor de seguridad del primer diseño a 45 grados.
2) Simulación a 60 grados de inclinación
La deformación total producida a un ángulo de 60 grados es de 0,45 mm y se sitúa en los apoyos de los neumáticos del FSAE.
Fig. 14. Deformación del primer diseño a 60 grados.
La tensión máxima a este ángulo es de 134,58 MPa y se ubica en los apoyos inferiores de la plataforma, sin embargo, la tensión producida en la estructura no sobrepasa los 14,95 MPa.
Fig. 15. Tensión máxima y mínima del primer diseño a 60 grados.
El factor de seguridad mínimo generado a este ángulo de inclinación es de 1,85 y se ubica en los apoyos inferiores de la plataforma, aunque como se observa en la figura 16 el valor del factor de seguridad en general es igual a 15.
Fig. 16. Factor de seguridad del primer diseño a 60 grados.
De los resultados obtenidos se concluye que el diseño puede soportar la carga de 5000 N, no obstante, este diseño resulta estar sobredimensionado y aún más tener un coste muy elevado por su perfil estructural.
- Simulación del segundo diseño
1) Simulación a 45 grados de inclinación
El desplazamiento máximo que se genera en este ángulo es de 1,66 mm y se ubica en los extremos superiores de la plataforma.
Fig. 17. Deformación del segundo diseño a 45 grados.
La tensión máxima generada tiene un valor de 276,13 MPa y se ubica en los apoyos inferiores de la plataforma.
Fig. 18. Tensión máxima del segundo diseño a 45 grados.
El valor mínimo del factor de seguridad es de 0,9 ubicado únicamente en los apoyos inferiores de la plataforma mientras que la estructura en general tiene un valor de 15. Al ser menor a 1 que es lo mínimo recomendado se puede concluir que los apoyos no soportarían la carga.
Fig. 19. Factor de seguridad del segundo diseño a 45 grados.
2) Simulación a 60 grados de inclinación
El desplazamiento máximo producido a este ángulo es de 1,19 mm en los extremos superiores de la plataforma.
Fig. 20. Deformación del segundo diseño a 60 grados.
La tensión máxima que se produce es de 229,79 MPa y se ubica en los apoyos inferiores de la plataforma mientras que la estructura esta sometida a una tensión de alrededor de 25,53 MPa.
Fig. 21. Tensión máxima del segundo diseño a 60 grados.
El valor mínimo del factor de seguridad es de 1,08, apenas mayor a lo recomendado, y se ubica en los apoyos inferiores de la plataforma mientras que la estructura en general tiene un valor de 15.
Fig. 22. Factor de seguridad del segundo diseño a 60 grados.
De los resultados obtenidos en este diseño se puede concluir que tiene un factor de seguridad muy bajo principalmente en los apoyos de la plataforma por lo que es necesario mejorar el diseño de los apoyos.
- Simulación del tercer diseño
1) Simulación a 45 grados de inclinación
El desplazamiento máximo producido en el tercer diseño a un ángulo de 45 grados es de 1,98 mm en los extremos de la plataforma como se puede ver en la Fig. 23.
Fig. 23. Deformación del tercer diseño a 45 grados.
La tensión máxima que se genera es de 202,85 MPa y se ubica en los apoyos inferiores de la plataforma mientras que la estructura se somete a una tensión no mayor a 22,54 MPa.
Fig. 24. Tensión máxima del tercer diseño a 45 grados.
Fig. 25. Factor de seguridad del tercer diseño a 45 grados.
2) Simulación a 60 grados de inclinación
La deformación máxima que se genera a este ángulo es de 1,38 mm localizándose en los extremos de la plataforma.
Fig. 26. Deformación del tercer diseño a 60 grados.
La tensión máxima obtenida a este ángulo es de 157,96 MPa situada en el tubo transversal superior de la plataforma provocado por los neumáticos del FSAE.
Fig. 27. Tensión máxima y mínima del tercer diseño a 60 grados.
El valor mínimo del factor de seguridad a 60 grados es de 1,58 ubicado principalmente en los apoyos tanto de los neumáticos como de los soportes inferiores de la plataforma. Mientras que la estructura en general tiene un valor de 15.
Fig. 28. Factor de seguridad del tercer diseño a 60 grados.
De los resultados obtenidos de la simulación del tercer diseño se puede concluir que se mejoró notoriamente los apoyos de la plataforma, sin embargo, el perfil estructural usado en este diseño resulta de difícil adquisición en el mercado local ecuatoriano por lo que se opta por usar uno más asequible.
- Simulación del cuarto diseño
1) Simulación a 45 grados de inclinación
El desplazamiento máximo que se genera a esta inclinación es de 2,72 mm y se sitúa en los extremos superiores de la plataforma como se puede ver en la siguiente figura.
Fig. 29. Deformación del cuarto diseño a 45 grados.
La tensión máxima que se produce es de 158,15 MPa ubicándose en los apoyos inferiores de la plataforma, aunque la estructura en su mayoría se somete a tensiones no mayores a 17,57 MPa.
Fig. 30. Tensión máxima y mínima del cuarto diseño a 45 grados.
El punto donde se genera la máxima tensión se lo considera como una singularidad de mallado ocasionado porque el nodo en ese punto no es perfectamente geométrico lo que desencadena en que los cálculos en ese punto no sean fiables, para corroborar esta hipótesis se estudia el comportamiento de las tensiones alrededor del punto donde los valores no llegan a ser más de 125 MPa (véase la figura ) siendo este el valor real de la tensión máxima.
Fig. 31. Tensiones en el punto de singularidad del cuarto diseño.
El valor mínimo del factor de seguridad a este ángulo es de 1,58 situándose en los apoyos inferiores de la plataforma mientras que la estructura posee un factor de seguridad de 15.
Fig. 32. Factor de seguridad del cuarto diseño a 45 grados.
Al examinar el punto de singularidad de mallado se halla que los valores del factor de seguridad no disminuyen de 2 siendo este el valor real del factor de seguridad mínimo en los apoyos de la plataforma.
Fig. 33. Factor de seguridad en el punto de singularidad del cuarto diseño.
2) Simulación a 60 grados de inclinación
El desplazamiento máximo que se produce a esta inclinación es de 2,25 mm situándose en los extremos superiores de la plataforma.
Fig. 34. Deformación del cuarto diseño a 60 grados.
La tensión máxima generada es de 128,47 MPa y se ubica en los apoyos inferiores de la plataforma mientras que la estructura en su mayoría se somete a una tensión no mayor 14,27 MPa como se puede ver en la siguiente figura.
Fig. 35. Tensión máxima y mínima del cuarto diseño a 60 grados.
En esta inclinación también se genera una singularidad de mallado por lo que se analiza el comportamiento de las tensiones alrededor del punto de singularidad obteniendo los mismos resultados que en la inclinación de 45 grados (Fig. 31).
El factor de seguridad mínimo que se obtiene en el análisis del cuarto diseño a 60 grados de inclinación es de 1,94 y se ubica en los apoyos inferiores de la plataforma a pesar de que la estructura en general tiene un valor del factor de seguridad de 15 como se puede ver en la siguiente figura.
Fig. 36. Factor de seguridad del cuarto diseño a 60 grados.
Analizando el comportamiento del punto de singularidad de mallado se obtiene que alrededor de este punto, el valor del factor de seguridad no es menor a 2 al igual que el análisis hecho en la sección III-J-1) siendo este el valor real.
De los resultados obtenidos en este diseño se puede concluir que hay una mejora en el diseño de los apoyos de la plataforma, además que el perfil estructural usado en este diseño tiene una mayor facilidad de adquisición y un coste mucho menor al de diseños previos lo que favorece notablemente el coste de fabricación.
- Construcción de la plataforma de inclinación
Para realizar la construcción de la plataforma se basa en el cuarto diseño ya que presenta mayores ventajas con respecto al coste. Se realizan tres principales construcciones que componen la plataforma de inclinación que son: base, plataforma móvil y rampas.
Para realizar la construcción de la base, se utiliza la perfilería cuadrada de 50x3mm; se utiliza un perfil en el centro que funciona como columna, en su cima se ubica la base donde irá asentada la polea, junto a la columna se ubica una correa en G de 60x30x10x2 mm que cumple la función de riel para que logre subir la plataforma móvil evitando el pandeo de la misma.
A los costados y parte posterior de la columna se coloca otros perfiles cuadrados los cuales sirven para mantener la columna fija evitando la fractura de la base por causa de las cargas que se puedan presentar en el momento de realizar la prueba basculante.
Fig. 37. Construcción de la base de la plataforma.
En la construcción de la plataforma móvil se utiliza los perfiles cuadrados de 50x3mm en toda su estructura guiándonos del diseño previo. En la parte lateral de la plataforma se ubica una especie de soporte que cumple la función de retener al monoplaza al momento en que se realice la prueba de inclinación a 45 y 60 grados.
Fig. 38. Estructura metálica de la plataforma móvil.
Para la realización de la construcción de las rampas se utiliza sobrantes de los tubos cuadrados de 50x3 mm, y se prepara el material. Adicional, se utiliza platinas de 6 mm de espesor a los costados de las rampas con perforaciones a fin de empernar las rampas sobre la plataforma si así se quisiese.
Fig. 39. Construcción de las rampas.
Cabe recalcar que para unir toda la perfilería se utiliza suelda tipo TIG (Tungsten Inert Gas) ya que presenta un buen acabado superficial, se trabaja con una corriente de 70 Amperios y con un ángulo de inclinación de la pistola de soldeo entre 70 y 80 grados con la horizontal.
Fig. 40. Soldeo del mecanismo mediante soldadura TIG.
Los resultados obtenidos del presente trabajo se los ha dividido en tres factores principales que influyen directamente en el funcionamiento del sistema.
TABLA III
Resultados de los desplazamientos en los diseños
|
Ángulo de inclinación (°C) |
Desplazamiento de plataforma móvil |
Unidad |
|
|
Diseño 1 |
45 |
0,67 |
mm |
|
60 |
0,45 |
mm |
|
|
Diseño 2 |
45 |
1,65 |
mm |
|
60 |
1,19 |
mm |
|
|
Diseño 3 |
45 |
1,98 |
mm |
|
60 |
1,38 |
mm |
|
|
Diseño 4 |
45 |
2,72 |
mm |
|
60 |
2,38 |
mm |
En la Tabla III se visualiza los resultados del desplazamiento generado en la estructura metálica en el momento de ubicar una carga de 5000 N. Para el diseño número 1 evaluado a 45 ° con la horizontal, se obtiene un desplazamiento de 0,67 mm y con un ángulo de 60 ° se obtiene un desplazamiento de 0,45 mm. En el diseño número 2 evaluado a 45 ° se obtiene un desplazamiento de 1, 65 mm y con un ángulo de 60° se obtiene 1,19 mm. Para el diseño número 3 se evalúa a 45° nos da un resultado en el desplazamiento de 1,98 mm y con un ángulo de 60° se obtiene un desplazamiento 1,38 mm. Para el diseño número 4 evaluado a 45° se obtiene un desplazamiento de 2,72 mm y a 60° se obtiene 2,26 mm de desplazamiento.
TABLA IV
Resultados de las tensiones máximas en los diseños
|
Número de diseño |
Ángulo de inclinación (°C) |
Tensión |
Unidad |
|
Diseño 1 |
45 |
134 |
MPa |
|
60 |
134,58 |
MPa |
|
|
Diseño 2 |
45 |
276,13 |
MPa |
|
60 |
229,79 |
MPa |
|
|
Diseño 3 |
45 |
202,85 |
MPa |
|
60 |
157,96 |
MPa |
|
|
Diseño 4 |
45 |
158,15 |
MPa |
|
60 |
146,9 |
MPa |
En la Tabla IV se obtiene los resultados de las tensiones generadas en la estructura metálica de la plataforma móvil al momento de ubicar una carga de 5000 N. Para el diseño número 1 evaluado a 45 °, se obtiene una tensión de 134 MPa y con un ángulo de 60 ° se obtiene una tensión de 134,38 MPa. En el diseño número 2 evaluado a 45 ° se obtiene la tensión de 276,13 MPa y con un ángulo de 60° se obtiene 202,85 MPa. Para el diseño número 3 se evalúa a 45° arrojando un resultado de tensión igual a 202,85 MPa y con un ángulo de 60° se obtiene un 157,96 MPa. Para el diseño número 4 evaluado a 45° se obtiene el valor de la tensión igual a 158,15 MPa y a 60° se obtiene 146,9 MPa de tensión.
TABLA V
Resultados del factor de seguridad en los diseños
|
Número de diseño |
Ángulo de inclinación (°C) |
Factor de seguridad |
|
Diseño 1 |
45 |
1,86 |
|
60 |
1,86 |
|
|
Diseño 2 |
45 |
0,90 |
|
60 |
1,09 |
|
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Diseño 3 |
45 |
1,23 |
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60 |
1,58 |
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Diseño 4 |
45 |
1,58 |
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60 |
1,70 |
En la Tabla V se visualiza los factores de seguridad obtenidos de los cuatro diseños al momento de ubicar una carga de 5000 N. Para el diseño número 1 evaluado a 45° con la horizontal, se obtiene un factor de seguridad igual a 1,86 y con un ángulo de 60 ° se obtiene un factor de seguridad igual a 1,86. En el diseño número 2 evaluado a 45 ° se obtiene el factor de seguridad igual a 0,90 y con un ángulo de 60° se obtiene1,09. Para el diseño número 3 se evalúa a 45° dando como resultado un factor de seguridad igual 1,23 y con un ángulo de 60° se tiene un factor de seguridad igual a 1,58. Para el diseño número 4 evaluado a 45° se obtiene el factor de seguridad igual a 1,58 y a 60° se obtiene 1,70.
Resultado de la prueba de inclinación
La prueba de inclinación ( tilt test) con el fórmula SAE se realizó satisfactoriamente. Se hace la inclinación del vehículo Fórmula SAE a 45 y 60 grados, en donde se comprueba que la plataforma es capáz de soportar todo el peso del monoplaza y del ocupante. Además, el motor eléctrico o winch posee la fuerza superior a 5748,55 N la necesaria para romper la inercia de la plataforme e iniciar su movimiento hasta alcanzar su punto máximo que es a los 60 grados con la horizontal.
Fig. 41. Prueba de inclinación en el FSAE.
En cuanto al comportamiento del vehículo durante la prueba, se aprecia que con la inclinación de 45° no existe fugas de fluidos de ningún tipo. Cuando se adopta una inclinación de 60° el vehículo no rueda, por lo que basado en las pruebas y sus resultados, se ha logrado establecer que el prototipo Formula SAE sobre el que se realiza el ensayo, cumple con la normativa de la competición de Fórmula SAE.
La inclinación de la plataforma se logra a partir del uso de un motor de winche eléctrico que, en conjunto con un mecanismo de polea, rieles guías y un cable de acero que produce la inclinación de 45 y 60 grados dando lugar al diseño y construcción del mecanismo que permite dar cumplimiento a lo solicitado en el reglamento de Fórmula SAE. Para los cuatro diseños propuestos se usa este mecanismo de manera que los resultados obtenidos solo se ven afectados netamente por la estructura diseñada y la perfilería de tubos estructurales usados.
Se realizó la simulación de los cuatro diseños usando el software ANSYS y se analizaron los resultados obtenidos de donde se aprecia que los mejores valores se obtienen con el cuarto diseño, con un factor de seguridad de entre 1.58 para la inclinación a 45° y 1.70 para 60°. Estos resultados garantizan la efectividad del diseño y la realización de la prueba Tilt Test sin problemas, además de que el uso de un perfil estructural cuadrado de 50x3 mm minimiza el coste de adquisición de la materia prima y de su construcción siendo menor al de los otros diseños.
La prueba de inclinación realizada en la plataforma de inclinación con el FSAE resultó un éxito y soportó sin problemas la carga de 5000 N por lo tanto se logró comprobar el funcionamiento del mecanismo diseñado y su implementación en la plataforma.
La realización de la prueba de inclinación sobre el prototipo Fórmula SAE permite validar el cumplimiento de la normativa. Puntualmente se obtuvo que con una inclinación de 45° no se tiene fugas de fluidos de ningún tipo y con una inclinación de 60° el vehículo no rueda. El aprobar estas pruebas permitirá que el prototipo supere esta fase de validación durante una competición oficial.
Referencias
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2. E. P. Pozo Ramírez and D. S. Puma Benavides, “PORTADA AUTORES : PUMA BENAVIDES DAVID SEBASTIÁN TEMA : ‘ DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS BASCULANTE ( TILT TEST ) PARA UN VEHÍCULO TIPO FORMULA STUDENT DE HASTA 500 kg ’ DIRECTOR : ING . MENA , EURO CODIRECTOR : ING . PÉREZ , FABRICIO,” ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO, 2014.
3. J. Cegarra Sánchez, Metodologia de la investigación científica y tecnológica. 2004.
4. AG continental suplidores navales y petroleros, “Catálogo técnico,” 2017. http://www.agcontinental.com/cables_acero/catalogo-tecnico/.
5. Importaceros, “Catalogo De Productos Importaceros,” Importaceros, p. 120, 2021.
6. Leoncables Cia. Ltda., “Cables y Cadenas de Acero de Alta Resistencia,” p. 27, 2017, [Online]. Available: https://www.leoncables.net/images/leoncables/PDF/CATALOGO-LEONCABLES-2017-OK.pdf.
7. Bushman Equipment Inc, “Mesa de prueba de inclinación de elevación diseñada a medida para E-One,” Bushman Equipment Inc, 2021. https://www.bushman.com/case-studies/custom-designed-tilt-test-table-e-one/.
8. E. J. Guascal Sanguña and L. A. Quiroz Dávalos, “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CHASIS PARA EL VEHÍCULO TIPO FORMULA SAE,” Universidad de las Fuerzas Armadas, 2015.
9. Jozsef and P. Blaga, “Innovative method to reduce process costs in the field of electrostatic powder painting,” Procedia Manuf., vol. 46, pp. 44–48, 2020, doi: 10.1016/j.promfg.2020.03.008.
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