diseño de chasis

8/10/2019 Diseo de Chasis

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6. Chasis diseo y anlisis

El objetivo de este captulo es:

Dar a conocer las cargas sobre las estructuras de los vehculos;

Dar a conocer los diferentes tipos de estructura del vehculo y su uso;

Indicar cmo estas cargas se pueden analizar de forma sencilla y con el uso de las

computadoras;

Proponer los requisitos para el diseo estructural del vehculo sonido;

Dar ejemplos de simple anlisis estructural los cuales destacan los procesos involucrados

para estructuras de los vehculos.

6.1 Caso de carga, introduccin

Las cargas impuestas a la estructura del chasis o carrocera de un vehculo de pasajeros o

vehculo comercial ligero debido a las condiciones normales de funcionamiento se consideran

en este captulo. Esto es, las cargas provocadas cuando el vehculo atraviesa un terreno

irregular y cuando el conductor realiza varias maniobras.

Hay cinco casos de carga bsicos a considerar.

1. Caso de flexin

Este se carga en un plano vertical, el plano x-z debido al peso de los componentes distribuido a

lo largo del bastidor del vehculo que causan la flexin alrededor del eje y, vea Figura 6.1(a)

2. caso de torsin

La carrocera del vehculo es sometida a un momento aplicado a las lneas centrales de los ejes

hacia arriba y cargas hacia abajo en cada eje, en este caso. Estas cargas dan lugar a una accin

de giro o momento de torsin sobre el eje x longitudinal del vehculo, vea Figura 6.1(b).


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3. combinado de flexin y torsin

En la prctica, el caso de torsin no puede existir sin la flexin como las fuerzas gravitatorias

siempre estn presentes. Por lo tanto, los dos casos se deben considerar conjuntamente a la

hora que representa una situacin real, vea Figura 6.1(c).

4. carga lateral

Esta condicin se produce cuando el vehculo es conducido en una esquina o cuando se desliza

contra una acera, es decir, las cargas a lo largo del eje y, Figura 6.1(d)

5. Carga de proa y popa

Durante la aceleracin y el frenado se generan fuerzas longitudinales (a lo largo del eje x).

Fuerzas de traccin y frenado en el neumtico en los puntos de contacto a tierra se hacen

reaccionar por la masa multiplicada por la aceleracin (desaceleracin) fuerzas de inercia, vea

Figura 6.1(e).

Los casos ms importantes son las de 1 (flexin), 2 (torsin) y 3 (flexin y torsin) ya que estos

son de suma importancia en la determinacin de una estructura satisfactoria (Pawlowski,

1964). La carga lateral y los casos de carga de proa a popa requieren atencin en el diseo de

los puntos de montaje de suspensin a la estructura, pero son menos importantes en la


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estructura como un todo. Otras condiciones de carga localizadas, como las cargas provocadas

por portazos, cargas de cinturones de seguridad, etc, no se consideran en este trabajo.

6.1.1 caso de flexin

Las condiciones de flexin dependen de los pesos de los componentes principales del vehculo

y la carga til. La primera consideracin es la condicin esttica mediante la determinacin de

la distribucin de carga a lo largo del vehculo. Las cargas de reaccin del eje se obtienen

mediante la resolucin de las fuerzas y momentos tomando a partir de los pesos y posiciones

de los componentes (es decir, las ecuaciones de la esttica). La estructura puede ser tratada

como una viga de dos dimensiones como el vehculo es aproximadamente simtrica respecto

al eje x longitudinal. Una distribucin tpica de tamao medio de pasajeros carga de la cabina

se muestra en la Figura 6.2.

El examen de la figura 6.2 muestra una lista tpica de los principales componentes del vehculo

que son considerados. Las cargas distribuidas son estimaciones del peso por unidad de

longitud para el cuerpo del vehculo con detalles de equipamiento. Las masas no suspendidas

que consisten en ruedas, discos de freno /tambores y enlaces de suspensin estn, por

supuesto, no incluidos ya que no imponen cargas sobre la estructura.


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Desde el diagrama de carga Figura 6.2, el diagrama de momento de flexin y el diagrama de

fuerza cortante puede ser construido de la manera normal. Las figuras 6.3 y 6.4 muestran

estos diagramas construidos.


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Utilizando un mtodo de clculo computarizado. Los valores tomados a partir de estos

diagramas se pueden utilizar para determinar condiciones de estrs en un bastidor del chasis o

en el bastidor lateral de un coche de pasajeros.

La carga dinmica debe ser considerada cuando el vehculo atraviesa superficies irregulares.

Por ejemplo, el vehculo puede pasar sobre un puente de curvo a una velocidad tal que las

ruedas dejan el suelo. El resultado del impacto del vehculo al volver a la tierra es amortiguado

por el sistema de suspensin pero inevitablemente provoca un aumento considerable en la

carga sobre la condicin esttica. La experiencia adquirida por los fabricantes de vehculos

indican que las cargas estticas se deben aumentar por factores de 2,5 a 3,0 por la carretera

por la que van los vehculos. Vehculos todo terreno pueden ser diseados con factores de 4

(Pawlowski, 1964).

6.1.2 caso de torsin

El caso de torsin pura se puede considerar simplemente como la aplicada en una lnea de eje

y la reaccin en el otro eje. La condicin de torsin pura no puede existir por s mismo porque

las cargas verticales siempre existen debido a la gravedad, como se ha mencionado en laintroduccin. Sin embargo, para facilidad de clculo se asume el caso torsin pura.

El momento de torsin mximo se basa en las cargas en el eje cargado ms ligero, y su valor es

la carga de la rueda en la que el eje ms ligero cargado multiplicada por la pista de la rueda.

Consulte la siguiente seccin (6.1.3) para una explicacin ms detallada. Las cargas en las

ruedas son entonces como se muestra en la figura 6.1 (b).

El momento de torsin

(6.1)

El frente y posterior tf y tr respectivamente pueden ser ligeramente diferentes y la carga sobreel eje trasero RR es generalmente ms pequea que RF para un coche de pasajeros moderno,


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incluso a plena carga. En esta situacin RR es la carga sobre el eje trasero para el caso de RF a

plena carga ser inferior a la carga del eje delantero para la misma condicin plena carga.

Una vez ms, estas cargas se basan en cargas de reaccin estticas pero factores dinmicos en

este caso son tpicamente 1.3 para los vehculos de carretera (Pawlowski, 1964). Para los

camiones que van a menudo fuera de la carretera 1.5 y para vehculo todo terreno se puedeutilizar un factor de 1,8.

6.1.3 flexin y torsin combinadas

Si los casos de carga esttica de flexin y torsin se combinan la condicin de carga mostrada

en la Figura 6.1 (c) se lograr. Esto representa la situacin planteada, si una de las ruedas del

eje con la carga ms ligera se eleva sobre una protuberancia de altura suficiente para causar

que la otra rueda sobre dicho eje deje el suelo. Pawlowski (1964) recomienda una altura

mxima de protuberancia de 200 mm debera ser considerado, como la mayora de los coches

tienen una suspensin que puede rebotar 200 mm o menos.

El presente escritor considera que la altura de la protuberancia de 200 mm levantar la otra

rueda del mismo eje fuera del suelo. En esta condicin se aplica toda la carga del eje ms ligero

para una rueda.

Si este principio se aplica en el vehculo descrito en la Figura 6.2 y suponiendo que la va

delantera tf = 1450 mm y la trasera tr = 1400 mm.

La carga sobre la rueda derecha del eje trasero (con carga ms ligera) ser la carga total por eje

Re =6.184 N, el par sobre el cuerpo 4328 Nm y RF 'es 5971 N.

Las cargas resultantes de las ruedas en el eje delantero son

Rueda derecha

(6.2)

Rueda Izquierda

(6.3)

Si la rueda delantera izquierda se haba levantado en lugar de la rueda trasera derecha la

misma situacin sera producida, es decir, la carga de la rueda trasera izquierda se reducir a

cero antes de la rueda delantera derecha. Cualquier levantamiento adicional de la rueda

delantera izquierda (o la rueda trasera derecha) no aumentarn el par aplicado a la estructuradel vehculo.

6.1.4 Carga lateral

En las curvas, las cargas laterales se generan en el neumtico a tierra en las zonas de contacto

que son equilibradas por la fuerza centrfuga

donde M es la masa del vehculo, V es la

velocidad de avance, R es el radio de la curva (vase la Figura 6.1 (d)).

La peor condicin posible se produce cuando las reacciones de la rueda en el interior

descienden a su vez a cero, es decir cuando el vehculo est a punto de volcar. En esta

condicin la estructura est sujeta a la flexin en el plano x-y. La condicin aproximada del roll


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over se muestra en la Figura 6.5 y depende de la altura del centro de gravedad del vehculo y la

pista. En esta condicin, la resultante de la fuerza centrfuga y el peso pasa a travs de la

superficie de contacto ruedas exteriores.

(A)

Por lo tanto la aceleracin lateral=

Por lo tanto la fuerza lateral en el centro de gravedad=

Las fuerzas laterales en los neumticos delanteros= (6.5)


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En los neumticos traseros=

(6.6)

La estructura puede ser considerada ahora como una viga simplemente apoyada sujeta a carga

lateral en el plano x-y a travs del centro de gravedad. Un modelo ms preciso sera considerar

la posibilidad de distribuir cargas en una manera similar a la descrita en la seccin 6.1.1 para

flexin en el plano x-z.

Condiciones normales de conduccin nunca abordar esta situacin porque a partir de la

ecuacin 6.4, cuando h (la altura del centro de gravedad desde la superficie de la carretera)

para un coche moderno es tpicamente 0,51 m y pista de 1,45 m

Aceleracin Lateral =

Es decir, la aceleracin lateral es 1,42 veces la aceleracin gravitacional. Esto no ocurre en un

neumtico de carretera convencional, las fuerzas secundarias limitan la aceleracin lateral a

0,75 g aproximadamente.

Golpes en vaco puede causar altas cargas y darse la vuelta en circunstancias excepcionales.

Las altas cargas laterales que provocan la flexin en el plano x-y no son crticos como la

anchura del vehculo (o canto de la viga) proporcionan fcilmente suficiente resistencia a la

flexin y rigidez. Los soportes del montaje de la suspensin deben, sin embargo, estar

diseados para soportar estas altas cargas de choque. Por razones de seguridad estas altas

cargas de choque laterales se asumen generalmente para ser el doble de la carga vertical

esttica en la rueda.

6.1.5 Carga longitudinal

Cuando el vehculo acelera o desacelera, la fuerza de la masa por la aceleracin o la inercia es

generada. Como el centro de gravedad del vehculo est por encima de la superficie de la

carretera la fuerza de inercia proporciona una transferencia de carga desde un eje a otro.

Mientras que en la aceleracin, se transfiere el peso desde el eje delantero al eje trasero y

viceversa para la condicin de frenado o deceleracin. Para obtener una visin completa de

todas las fuerzas que actan sobre el cuerpo, las alturas de los centros de gravedad de todos

los componentes sern requeridos. Estos son a menudo desconocidos, por lo tanto, un grfico

de momentos de flexin a lo largo del vehculo no se puede obtener. Un modelo simplificado

considerando una fuerza de inercia generada en el centro de gravedad del vehculo puedeproporcionar informacin til sobre la carga local de en las posiciones de los ejes debido a las

fuerzas de traccin y frenado.

La figura 6.6 muestra las fuerzas debidas a la traccin y frenado para (a) la aceleracin de la

rueda delantera, unidad (b) la aceleracin de traccin trasera y (c) de frenado.

Para (a) traccin delantera, la reaccin en las ruedas motrices es

()

(6.7)

Para (b) la traccin trasera, la reaccin en las ruedas motrices es


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(6.8)

Para (c) el caso de frenado, las reacciones sobre los ejes son

()

(6.9)


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6.1.7 El esfuerzo admisible

Las condiciones de carga discutidos en las secciones 6.1.1 a 6.1.6 resultado en las tensiones

que se producen a lo largo de la estructura del vehculo. Es importante que en las peores

condiciones de carga que las tensiones inducida en la estructura se mantengan a lmites

aceptables.

La consideracin de las cargas estticas factorizadas por una cantidad apropiada debe dar un

nivel de estrs ciertamente por debajo del lmite de elasticidad. Por ejemplo, si el caso de

flexin para una carretera sonde pasan automviles de pasajeros se considera la tensin

mxima admisible debe limitarse como sigue:

El estrs debido a la carga esttica Factor dinmico 2/3 lmite elstico

Esto significa que bajo la peor condicin de carga dinmica la tensin no debe exceder de 67%

del lmite elstico. Como alternativa, el factor de seguridad contra el rendimiento es de 1,5

para la peor condicin de carga posible. Un criterio similar se aplica a otras condiciones de

carga. Este procedimiento suele ser satisfactorio para el diseo contra fallo por fatiga, pero las

investigaciones de fatiga son necesarias especialmente donde se producen concentraciones de

tensin en los puntos de montaje de suspensin.


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6.1.8 rigidez a la flexin

Las secciones anteriores han considerado cargas y esfuerzos y ahora hay una necesidad de

determinar si la estructura es suficientemente fuerte. Un requisito de diseo igualmente

importante es evaluar la rigidez estructural; de hecho, muchos diseadores consideran que la

rigidez es ms importante que la fuerza. Es posible disear una estructura que essuficientemente fuerte pero todava insatisfactoria porque tiene rigidez insuficiente. Por lo

tanto, el diseo para la rigidez aceptable es a menudo ms crtico que el diseo para una

resistencia suficiente.

Para el coche de pasajeros, la rigidez a la flexin se determina por los lmites aceptables de

deflexin de las aberturas de las puertas laterales del bastidor. Si las deflexiones excesivas se

producen entonces las puertas no se cerrarn satisfactoriamente, es decir, la alineacin de los

seguros de la puerta son tales que las puertas no se pueden abrir o cerrar fcilmente. La

rigidez local del piso es importante para la aceptacin de pasajeros. Si el piso se desva bajo los

pies de los pasajeros provoca la inseguridad de los pasajeros. Los paneles de suelo songeneralmente rgidos por terminales de prensado a presin en los paneles que dan un mayor

momento de inercia del rea local por lo tanto reduciendo deflexiones. Estos a su vez reducen

las vibraciones del panel. Un panel de chapa delgada plana actuar como una piel de tambor

que vibra a una frecuencia que depende de factores tales como el tamao, el grosor y las

condiciones de retencin del borde del panel. Algunos coches de lujo modernos ahora utilizan

material multicapas que consta de dos paneles delgados separados por un material de panel

de abeja que conduce a un vehculo mucho ms tranquilo. La rigidez local necesita ser

incrementado en muchos otros lugares dentro de la estructura, por ejemplo, en los puntos de

montaje de la puerta, el cap, bisagra, puntos de anclaje de suspensin, asientos y puntos de

montaje para otros importantes componentes. Esto se logra mediante la adicin de placas y

soportes de refuerzo en las secciones del cuerpo en puntos de articulacin, cerraduras de

puertas, puntos de pivote de suspensin, etc.

Las desviaciones aceptables (o rigidez requerida) pueden ser determinadas para algunos

componentes de la estructura. La desalineacin aceptable de seguros de la puerta ser

determinada por el diseo y caractersticas del seguro. Otros componentes tales como la

rigidez de los paneles de suelo estn determinados por la experiencia del fabricante del

vehculo o durante el desarrollo del mismo.

6.1.9 La rigidez torsional

La rigidez torsional aceptable puede ser evaluada por criterios especficos, mientras que para

otros criterios se basa en la experiencia y el desarrollo, como se describe en la seccin

anterior. Un tpico berlina de tamao medio (sedn) totalmente montado puede tener una

rigidez torsional de 8000-10 000 N-m / grado (Webb, 1984). Es decir, cuando se mide sobre la

rueda-base del vehculo. La experiencia muestra que esto es aceptable para una carretera que

van automviles de pasajeros. Si la rigidez es baja, la percepcin del conductor es que la parte

delantera del vehculo parece temblar con la estructura de las alas delanteras, tendiendo a

moverse hacia arriba y hacia abajo.


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Los problemas prcticos de las puertas que no se cierran correctamente ocurren cuando el

vehculo est estacionado en terreno irregular por ejemplo cuando una rueda est en un

bordillo.

Un problema similar se producir si los puntos de elevacin (para permitir el cambio de rueda)

se colocan en las esquinas del vehculo. La rigidez torsional tambin est influenciada por elparabrisas y el vidrio de la luz trasera. Los estudios realizados por Webb (1984) muestran una

reduccin en la rigidez torsional con el vidrio removido de aproximadamente 40%. El vidrio

est sujeto a carga y por lo tanto a tensin que de nuevo si es excesiva puede causar que el

vidrio se agriete. Los autos deportivos sin panel estructural del techo son propensos a tener

mala rigidez torsional a menos que la parte de abajo sea reforzada. Para estos coches, el

manejo del vehculo es extremadamente importante y si la rigidez a la torsin es baja, esto

tiene un efecto perjudicial sobre las caractersticas de manejo. Por lo tanto se toma gran

cuidado para asegurar que la rigidez a la torsin es adecuada.

6.2 Tipos de bastidor, introduccin

Ahora que los casos de carga que se aplican a una estructura del vehculo o bastidor del chasis

han sido considerados, los distintos tipos de estructura que podran ser utilizados pueden ser

investigados, y una valoracin del diseo para evaluar su idoneidad para las cargas impuestas

se puede hacer. Una variedad de tipos de estructuras se examinarn, y su eficacia en la

resistencia a las diversas condiciones de carga y cmo la estructura de los automviles de

turismo puede ser desarrollado.

6.2.1 Bastidores tipo escalera

Los primeros automviles fueron construidos con una estructura de bastidor de escalera en la

que se coloc la carrocera del vehculo que contiene los asientos de pasajeros. Los primeros

diseos a menudo no tenan techo por lo que la carrocera hizo poco para proteger contra el

clima mientras que los diseos posteriores proporcionan esta proteccin con un techo,

puertas, etc. Sin embargo, la carrocera no contribuy mucho a la estructura del vehculo. A

menudo era de madera con una muy baja rigidez en comparacin con el bastidor del chasis.

Por lo tanto la elevada rigidez (en flexin) del bastidor tipo escalera lleva prcticamente la

totalidad de las cargas de flexin y torsin.

La mayor ventaja del bastidor tipo escalera es su adaptabilidad para acomodar una gran

variedad de formas y tipos de carroceras. Todava es ampliamente utilizado en los vehculos

comerciales ligeros como los pick-ups hasta camiones pesados por esta razn. Las carroceras

que van desde plataformas planas, furgonetas, tanqueros a contenedores desmontables,

todos pueden ser fcilmente conectados a bastidores tipo escalera.

El bastidor tipo escalera se llama as porque se asemeja a una escalera con dos rieles laterales

y un nmero de vigas transversales. La mayora de los diseos se hacen con rieles laterales de

seccin de canal, o bien vigas transversales de seccin abierta o cerrada (Figura 6.8). La buena

resistencia a la flexin y la rigidez de peso se obtienen con vigas de rieles laterales profundos

como la relacin de momento de rea / rea de seccin transversal pueden ser optimizados.

Las bridas contribuyen al gran momento de inercia y el conjunto de las zonas de bridas llevan


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altos niveles de estrs; por lo tanto, ste es un uso eficiente del material (Figura 6.9). La

seccin de canal abierto proporciona un fcil acceso para la fijacin de soportes y

componentes. La colocacin de estas a la web evita agujeros en las bridas sometidas a

grandes esfuerzos (Figura 6.10). Otra caracterstica de la seccin de canal es el centro de corte

est desplazado de la web (Roark, 1975). La torsin local de los bastidores laterales se puede

prevenir asegurndose de que los dispositivos de fijacin de componentes para ellos estn

como se muestra en la Figura 6.10. Desafortunadamente, la torsin constante es muy pequea

y por lo tanto su rigidez torsional es baja. Si un chasis de bastidor tipo escalera est construido

con vigas transversales de seccin de canal, as como el bastidor lateral la rigidez a la torsin

del conjunto es muy bajo.

El bastidor perifrico simple, que es el bastidor tipo escalera ms sencillo en la figura 6.11, la

torsin en los elementos transversales reacciona como flexin en los bastidores laterales y la

flexin en los miembros transversales reacciona como torsin en los bastidores laterales.

Todos los miembros estn cargados en torsin y el debido a sus bajas constantes de torsin el

bastidor tiene una baja rigidez torsional. Si las secciones abiertas son reemplazadas porsecciones de caja cerrada entonces la rigidez torsional mejora en gran medida. Esto se hace en

vehculos como el Land Rover. Sin embargo, la fuerza de las juntas se vuelve crtica como la

flexin mxima en todos los miembros se produce en las articulaciones (ver Figura 6.11) y la

fijacin de soportes se vuelve ms complejo (vase la Figura 6.12).

6.2.2 bastidores cruciformes

Es posible disear un bastidor para soportar cargas de torsin, donde ningn elemento del

bastidor est sujeto a un momento de torsin. El bastidor cruciforme mostrado en la figura

6.13 est hecho de dos vigas rectas y slo tendr cargas de flexin aplicadas a las vigas. Estetipo de bastidor tiene una buena rigidez torsional proporciona a la junta en el centro un diseo

satisfactorio. Cabe sealar que la flexin mxima se produce en la junta por lo tanto el diseo

de la junta se vuelve crtico. La combinacin de las propiedades de la estructura cruciforme

con las del bastidor en escalera, ayudan a obtener tanto buenas propiedades de flexin como

de torsin. Las vigas transversales en la parte delantera y posterior no slo ayudan en llevar el

momento de torsin sino que ayudan a llevar las cargas laterales de los puntos de montaje de

la suspensin, ver Figura 6.14.


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6.2.3 Torque en bastidores columna vertebral de tubo

Se observ en la Figura 6.12 que una seccin de caja cerrada ha mejorado enormemente la

rigidez torsional en comparacin con una seccin abierta. Esta propiedad se ha explotado en el

chasis Lotus se muestra en Figura 6.15 donde la columna vertebral principal es una seccin de

caja cerrada a travs del cual corre el eje de accionamiento entre la caja de cambios y launidad de transmisin final. Las vigas extendidas en la parte delantera y trasera se extienden a

los puntos de montaje de la suspensin, mientras que los miembros transversales adicionales

empatan juntos los puntos de montaje de la suspensin para resistir cargas laterales. En este

tipo de estructura de la columna vertebral est sujeta a cargas de flexin y de torsin, las vigas

extendidas a la flexin y los miembros transversales a compresin o tensin de las cargas

laterales a partir de la suspensin.

6.2.4 bastidores espaciales

Los bastidores descritos en las tres secciones anteriores son todos esencialmente de 2-

dimensiones o al menos su profundidad es mucho menor que su longitud y anchura.


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Aadiendo profundidad a un bastidor aumenta considerablemente su resistencia a la flexin y

la rigidez (es decir, los puentes tipo viga). Los bastidores espaciales de 3 dimensiones se han

utilizado para los vehculos especializados, como los autos de carrera deportivos; un ejemplo

se muestra en la figura 6.16. Este tipo de diseo del vehculo puede ser utilizado para la

produccin de bajo volumen con carroceras de fibra de vidrio y plstico reforzados.

En este tipo de estructura es imprescindible para asegurar que todos planos estn totalmente

triangulados para que los elementos de viga se carguen esencialmente en tensin o en

compresin. Debido a las uniones soldadas algunas restricciones de flexin y torsin se

producirn en las articulaciones, pero que depender de estas restricciones ser hacer la

estructura menos rgida. Considere la situacin ilustrada en la Figura 6.17 (a) y (b). En (a) la

rigidez de un bastidor rectangular "abierto" depende de la flexin de los elementos donde en

(b) la rigidez es proporcionada por el elemento diagonal sujeto a tensin directa o compresin.


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para una estructura prctica _ "abiertas" las aperturas son necesarios para el parabrisas, luz

trasera, el acceso al compartimento del motor, puertas, etc, que puede dar lugar a este tipo de

estructura que tiene baja rigidez al cizallamiento.

6.2.5 estructuras integrales

El coche de pasajeros moderno producido en masa se produce casi exclusivamente con chapa

de acero prensado y se sueldan entre s para formar una estructura integral. Esta es una

estructura donde los componentes proporcionan tanto las funciones estructurales y de otro

tipo. La profundidad de una estructura tal como un bastidor espacial, puede mejorar la rigidezy en la estructura integral de todo el bastidor lateral con su profundidad y el techo estn

hechos para contribuir a la flexin y la rigidez torsional del vehculo. Una estructura integral de

automviles de pasajeros tpico se muestra en la Figura 6.18.


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Tal estructura es geomtricamente muy complicada y la distribucin detallada de la tensin

puede slo ser determinada por el uso de mtodos de elementos finitos (ver seccin 6.4). La

estructura puede ser descrita como una "estructura redundante 'ya que algunas partes se

pueden quitar (es decir redundante) y la estructura an llevar las cargas aplicadas aunque con

menor eficiencia o una mayor flexibilidad.

La distribucin de tensiones dentro de la estructura no es slo una funcin de las cargas

aplicadas, sino tambin de las rigideces relativas de muchos componentes. Los detalles de este

anlisis est fuera del alcance de este captulo (Roark, 1975). Las ventajas de la estructura

integral son numerosas. Esta es ms rgida en flexin y torsin, es de menor peso que cuando

se utiliza un chasis y carrocera separada, esta puede ser producida con un menor coste, y

producir un coche ms silencioso para los pasajeros.

La Seccin 6.3 describe un mtodo para la determinacin de las principales transmisiones de

carga a travs de la estructura integral. Para casos de carga de flexin y torsin. La funcin de

los principales elementos estructurales puede ser demostrada con este mtodo.

6.3 El anlisis estructural por el mtodo de simples superficies estructurales

Hay muchas maneras de modelar una estructura del vehculo con el fin de determinar cargas y

tensin dentro de la estructura. La forma ms elemental se describe como una viga que ya ha

sido considerada en la Figura 6.2. Los modelos complejos son considerados en el apartado 6.4.

Antes de que estos complejos modelos se examinen, es til contar con modelos intermedios

que ayudan a la comprensin de las principales transmisiones de carga dentro de la estructura.

Un mtodo ms til fue desarrollado por Pawlowski (1964) se llama simples superficies

estructurales. Es posible con este mtodo determinar las cargas sobre los principales

elementos estructurales de una estructura integral. Aunque este tipo de estructura es

altamente redundante es posible por representacin cuidadosa los principales elementos de la

estructura para determinar las cargas y, por tanto, el estrs por las simples ecuaciones de la

esttica. Por ejemplo, una simple estructura de una furgoneta se puede representar como se

muestra en la Figura 6.19. Esto demuestra que la estructura de la carrocera est representada

por 10 componentes estructurales o simples superficies estructurales. Estos son el techo, piso,

2 marcos laterales, panel frontal y el marco del parabrisas, bastidor trasero ms tres piso vigas

transversales. La figura 6.19 muestra el caso de carga de torsin descrito anteriormente en la

Seccin 6.1.2 y las fuerzas que actan sobre cada simple superficie estructural. Si la geometradel vehculo y las cargas de los ejes se conocen, todas los cargas en los bordes P1. . . Pn y Q1. . .

Qn, que actan pueden ser evaluadas entre las simples superficies estructurales. A partir de

estas cargas las secciones de las columnas de las ventanas, piso vigas transversales, etc se

pueden evaluar para dar niveles aceptables de tensin y deformacin.

6.3.1 Definicin de una superficie estructural simple (SES)

Una superficie estructural simple es 'rgida' en su propio plano, pero "flexible" fuera del plano.

Es decir, que puede llevar cargas en su plano (traccin, compresin, cizalladura, flexin), pero

las cargas normales al plano y flexin fuera del plano no son posibles. La Figura 6.20 ilustra

esquemticamente el principio de la superficie estructural simple.


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6.3.2 Superficies estructurales simples que representan un cajn de camioneta en torsin

Utilizando el mismo modelo bsico de la figura 6.19 el caso de carga de torsin se puede

considerar en detalle.


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Tomando el eje con la carga ms ligera, como se explica en 6.1.2 cargas iguales y opuestas (y

abajo) se aplican a las vigas transversales delanteras y traseras (SSS-2 y SSS-3). En este

ejemplo, cuando a plena carga un eje delantero de camioneta es ms probable que el eje de

carga ms ligera para Rf/2 es tomada como la que acta arriba y abajo en SSS-2.

Chasis diseo y anlisis

Figura 6.15 una torsin tpica de un marco de tubo


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Aumenta su resistencia a la flexin y la rigidez (i.e, puentes de tipo cercha). 3 Marcos con

espacios dimensionales tienen que ser utilizados para los vehculos especializados, tales

como los autos de carrera deportivos; un ejemplo se muestra en la figura

6.16. Este tipo de diseo del vehculo puede ser utilizado para produccin de bajo volumen con

GRP cuerpos.

Figura 6.16

En este tipo de estructura es imprescindible asegurar que todos los planos estn totalmente

triangulados para los elementos de viga se carguen esencialmente en tensin o en

compresin. Debido a las uniones soldadas algunas restricciones se producirn en las

articulaciones flexin y torsin, pero dependiendo de estas restricciones se hacen


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()

()

Figura 6 17 Marco anillo y marco diagonal reforzado

la estructura mucho menos rgido. Considere la situacin ilustrada en la Figura 6.17 (a) y (b). En

(a) la rigidez de un marco rectangular "abierta" depende de la curvatura de los elementos que

en (b) la rigidez es proporcionada por el elemento diagonal sujetos a tensin directa o

compresin. para una estructura prctica aberturas "abiertas" son necesarios para el

parabrisas, luz de fondo, el acceso al compartimento del motor, puertas, etc, que puede dar

lugar a este tipo de estructura que tiene menor cizalla y rigidez.

6.2.5 estructuras integrales

El coche de pasajeros moderno producido en masa se produce casi exclusivamente con chapa

de acero prensado, en algunos lugares se sueldan entre s para formar una estructura integral.Esta es una estructura en la que los componentes proporcionan tanto las funciones

estructurales y de otro tipo. La profundidad de una estructura tal como un marco de espacio,

puede mejorar la rigidez y en la estructura integral de todo el bastidor lateral con su

profundidad y el techo estn hechos para contribuir a la flexin y la rigidez torsional del

vehculo. A

estructura integral de automviles de pasajeros tpico se muestra en la Figura 6.18.


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Figura 6.18 Una estructura integral tpico coche de pasajeros

Chasis diseo y anlisis

El momento en el travesao delantero debe hacer reaccionar por un momento igual a la viga

transversal trasera,

Por lo tanto:

Rr 'ser menor que la carga sobre el eje trasero y diferente de la carga Rf por eje si la trasera es

tr

diferente a la pista tf frontal.

El equilibrio de la SSS-2 y SSS-3 puede obtenerse mediante la adopcin de momentos, y como

los

valores de Rf y Rr 'se conocen los valores de P2 y P3 se obtienen

SSS-2 (Viga transversal delantera)

SSS-3 (trasero travesao)


26/34

P2 y P3 sern de hecho iguales en magnitud, ya que ambos actan en la anchura del vehculo

y el par en la parte delantera y trasera debe ser igual.

Ahora considere las cargas de las vigas transversales que actan sobre el larguero lateral

izquierdo (SSS-6).

Cargas en los bordes Q1 a Q5 se producir alrededor de la periferia del larguero lateral la

aplicacin de un momento oponente al momento aplicado por P2 y P3. La ecuacin de

momento se puede desarrollar para SSS- 6 tomando momentos sobre A, la base del montante

del parabrisas, ver Figura 6.19.

( ) ( ) ( ) (6.14)

Considere el equilibrio de SSS-4, 5, 8, 9, 10 Estas superficies deben ser asumidas en equilibrio

por las fuerzas de corte complementarias que se equilibran los momentos aplicados a partir de

los marcos laterales. El lado derecho-tramo debe por supuesto ser cargado exactamente

opuesto al lado-tramo de la izquierda.

SSS-4 (panel frontal)

()

SSS-5 (marco de la puerta trasera)

()

SSS-8 (panel de suelo)

( ) ()

SSS-9 (marco del parabrisas)

( ) ()

SSS-10 (Techo)

()

Introduccin al diseo de vehculo Moderno

En la actualidad hay seis ecuaciones 6.14 a 6.19, y seis incgnitas Q1 a Q6 lo que una solucin

puede ser obtenida. Mediante la sustitucin de Q2, Q3 y Q4 de las ecuaciones 6.17, 6.16 y 6.19

en la ecuacin 6.14 una ecuacin en una Q6 variable se deriva. Por lo tanto el valor de Q6 se

puede conseguir y luego las otras incgnitas utilizando ecuaciones 6.15 a 6.19.

Cabe sealar que el techo, el suelo, marco del parabrisas delantero y marco de la puerta

trasera son todos sujetos a la cizalladura complementaria. Los travesaos del suelo estn

sujetos a momentos de flexin y las fuerzas de corte mientras los marcos laterales tambin se

cargan en flexin y cortante. La viga transversal central SSS-1 no tiene cargas aplicadas en este

caso, pero se cargar en el caso de flexin.


27/34

6.3.3 Caja estructura van en flexin y torsin

Como se explic anteriormente en las Secciones 6.1.2 y 6.1.3 el caso de torsin siempre se

combina con doblando as que usar el principio de superposicin de las condiciones de carga

de los dos casos puede ser aadido y obtener las cargas sobre los miembros individuales de la

estructura.

6.3.4 Superficies estructurales simples que representan una berlina en flexin

Una estructura de coche de pasajeros, tales como para una berlina se construye con una ms

estructura geomtricamente compleja que una furgoneta caja (Figura 6.22). Sin embargo,

todava es posible modelar con Simples superficies estructurales, como se muestra en la Figura

6.21. Detalle modelos variarn de acuerdo con los componentes mecnicos, especialmente las

suspensiones, ver Figura 6.23. En este modelo el frente de cargas de la suspensin se

aplicarn en la parte superior de la aleta delantera, como para una suspensin, mientras que

las cargas de la suspensin trasera se aplican al miembro longitudinal interior bajo el suelo del

maletero. Este


28/34


29/34

SSS-1 (Transversal SSS en representacin de la torre del puntal).

Resolviendo fuerzas

()

Momentos

( ) ()

SSS-2 (longitudinal delantero superior)

Resolviendo fuerzas

() ()

Momentos

()

SSS-3 (Baja longitudinal delantera)

Resolviendo fuerzas

( )

SSS-4 (pared de fuego del motor)

Resolviendo fuerzas (y por simetra)

()


()

SSS-6 (Longitudinal bajo el maletero)

Resolviendo fuerzas

()

Momentos

( )() ()

SSS-7 (Planta viga transversal (trasera))


()


30/34

SSS-8 (panel trasero)


()

En la actualidad hay once ecuaciones, 06.20 a 06.30, y el once incgnitas (K1... K10, M) puede

ahora ser evaluado. Sin embargo, el equilibrio de la lado-marco de la derecha debe ser

verificada mediante la resolucin de fuerzas y momentos.

SSS-9 (Lado derecho-marco)

Resolviendo fuerzas

( ) ()

Momentos acerca de A

( ) ( ) () ( )

()

Cabe sealar que el SSSs 1 a 9 estn sujetos a cargas mientras que el bastidor trasero superior

de arranque, pantalla, techo, el parabrisas, el panel de piso y piso del maletero no tienen

cargas aplicadas a ellos. Este anlisis muestra que el bastidor lateral lleva las principales cargas

y es el principal elemento estructural para la determinacin de la rigidez a la flexin y la fuerza

del coche.


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6.4 Mtodos computacionales

En el contexto de vehculos fundamentales, hablar de mtodos computacionales para el

anlisis estructural se debe hacer, ya que estos mtodos ahora son fundamentales en el

proceso de diseo de los vehculos. El anlisis estructural se centra ahora en torno al mtodo

de anlisis de elementos finitos, donde la estructura del vehculo se divide en pequeoselementos. Las ecuaciones de la esttica (y / o dinmica), adems de las ecuaciones de anlisis

de tensin y elasticidad para cada elemento se resuelven simultneamente usando mtodos

matriciales.

Esto no se considera en este captulo, pero los aspectos tericos de este mtodo estn

contenidos dentro de los muchos libros de texto disponibles sobre el tema (NEL, 1986). La

complejidad de los modelos de elementos finitos se ha incrementado enormemente los

ingenieros han intentado modelar los vehculos con mayor detalle. En esta seccin, los

modelos simples y complejos son descritos, y ejemplos de cmo los modelos complejos

pueden ser sub-divididos en problemas ms manejables son dados.

Los primeros modelos, que para las investigaciones iniciales se siguen utilizando hoy en da,

utilizan elementos de viga simples. Los elementos de viga son elegidos para representar los

principales elementos estructurales tales como marcos, pilares de ventana, barandillas de

motores, y las vigas transversales del piso. Paneles tales como el suelo, el techo y mamparas

pueden ser representados por vigas "equivalentes" que tienen rigideces equivalentes a los

paneles de cizallamiento. En la figura 6.25 de Lotz (1991) muestra un ejemplo de un modelo

de elemento de viga de un coche descapotable. Este modelo muestra el uso de vigas

"equivalentes" para representar a los miembros del panel.

Los modelos posteriores utilizan placas o elementos de vaciado que representan con mayor

precisin los componentes de chapa metlica.


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La figura 6.26 de Kuo y Kelkar (1995) muestra que estos son elementos cuadrilteros o

triangulares y un modelo completo se compone de miles de estos elementos. Los puntos de

entrada de carga para un vehculo de esta complejidad, probablemente, el nmero 30 con

componentes est en tres direcciones ortogonales.

Por lo tanto, tanto el nmero de cargas y el nmero de elementos resultan en un granconjunto de datos. Este requiere considerable tiempo de preparacin y un largo tiempo de

procesamiento del ordenador.

En la fase de diseo inicial no es necesario ni posible determinar las tensiones y deflexiones en

tanto detalle porque el detalle de la geometra de los componentes no ser conocida.

Por lo tanto la aplicacin del mtodo simple superficies estructurales, como se describe en la

Seccin 6.3, y el uso de programas sencillos de elementos de viga puede proporcionar al

diseo elementos muy tiles. Los resultados de estos mtodos aplicados a toda la carrocera,

pueden entonces ser utilizados para la carga aplicada a los subconjuntos modelados con

mtodos del elemento finito que utilizan elementos de vaciado y placas. La figura 6.25 Lotz

(1991), muestra un modelo de elementos de viga que evala toda la estructura del vehculo

descapotable, los resultados de la que se utiliza en la investigacin del subconjunto de asiento

trasero se muestra en la Figura 6.27.


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Un ejemplo de la aplicacin del mtodo de simple superficies estructurales se describe por

Hansen (1996) donde las cargas en los bordes aplicadas al bastidor lateral se obtuvieron. Estos

fueron utilizados para determinar las tensiones y deformaciones en el bastidor lateral. La

figura 6.28 muestra el original y la forma desviada del bastidor lateral.

6.5 Resumen

En este captulo se ha esbozado casos de carga de diseo que se consideran en el diseo de

una estructura de un vehculo de pasajeros. Estas son las cargas que estn sujetos al vehculo

al atravesar caminos y otras superficies. Las condiciones de carga de impacto no se consideran

aqu. El mtodo de simple estructura superficial se describe y aplica para los dos casos de


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carga principales flexin y torsin. Las cargas en miembros individuales obtenidos a partir de

este mtodo se pueden utilizar para determinar las tensiones locales y deflexiones. El diseo

fundamental de la estructura y de sus principales componentes puede ser establecido de esta

manera. La aplicacin de mtodos del elemento finito puede entonces ser aplicado al diseo

fundamental para lograr detalles mejorados y una mayor eficiencia estructural.

6.6 Referencias y lectura adicional

Bastow, D. (1987). Cars Suspension and Handling. Pentech Press.

Hansen, R. (1996). A feasibility study of a composite vehicle structure, Cranfield University, MSc

thesis.

Kuo, E.Y., and Kelkar, S.G. (1995). Vehicle body structure durability analysis. SAE Paper 951096.

Lotz, K.D. (1991). Finite element analysis of the torsional stiffness of a convertible car body,

Cranfield

University, MSc Thesis

NEL (1986). A finite element primer, National Agency for Finite Element Methods and

Standards (NEL).

Newcomb, T.P., and Spurr, R.T. (1996). Braking of Road Vehicles, Chapman and Hall.

Pawlowski, J. (1964). Vehicle Body Engineering, Business Books.

[This text demonstrates many simple methods for analysing vehicle structural designs and

provides

excellent background reading on the subject.]

Roark, R.J. (1975). Formulas for Stress and Strain, McGraw-Hill.

Webb, G.G. (1984). Torsional stiffness of passenger cars, C172/84, I.Mech.E.

diseño de chasis

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