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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN

INGENIERÍA AERONÁUTICA

“MODELADO Y ANÁLISIS DEL CHASIS

DE UNA MOTOCICLETA”

Tesina que presentan:

David Isaac Trejo Gutiérrez

Iván Chávez Martín

Que para obtener el grado de:

Ingeniero en Aeronáutica

Octubre 2013

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Resumen

El presente trabajo plantea una propuesta para chasis de motocicleta tipo deportiva

utilizando una estructura de armadura y titanio como material con el objetivo de tener

una estructura más ligera y que soporte las cargas características en una motocicleta

de este tipo.

El modelado se realizó en CATIA® teniendo en cuenta un chasis de estructura tipo

triangular y utilizando cuatro diferentes secciones transversales en los tubos. El análisis

de elemento finito para comprobar la integridad de la estructura por cargas estáticas se

realizó en ANSYS® así como el análisis modal para observar la rigidez de la estructura.

En este trabajo no se realizaron análisis dinámicos.

Abstract

This work presents a proposal for a sport motorcycle chassis using a frame structure

and titanium as material in order to get a lighter structure and support loads on a

motorcycle of this type.

The modeling was done in CATIA® considering a frame in a triangular structure and

using four different cross sections in the tubes. Finite element analysis to verify the

integrity of the structure by static forces was carried out in ANSYS® and modal analysis

to observe the rigidity of the structure. In this work, dynamic analyzes were not

performed.

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Situación Problemática

Un parámetro de diseño determinante en el rendimiento y éxito de Motocicletas

Deportivas es sin duda la Eficiencia Estructural, es decir la relación entre la Rigidez y el

Peso inherentes a la estructura.

Actualmente la mayoría de los Chasises para motociclismo deportivo se fabrican de

acero o aluminio, configuraciones con gran eficiencia estructural.

El hecho de contar con una Eficiencia Estructural cada vez más alta, permite al piloto

someter al vehículo a condiciones más críticas, como curvas más cerradas, frenados y

aceleraciones repentinas, así como movimientos donde la motocicleta sea sometida a

grandes cargas y esfuerzos de tensión, y torsión. Este tipo de maniobras donde la

motocicleta se ve altamente exigida estructuralmente, sin duda son determinantes en el

éxito de la misma en las competencias de velocidad.

Aunado a esto, un chasis más ligero, reduce el consumo de combustible, esto

permite a la motocicleta recorrer distancias más largas (vueltas) sin tener que recargar

combustible, aspecto muy importante en una competencia.

Si la Eficiencia Estructural de los chasises actuales para motocicletas deportivas

está afectando los triunfos de las Compañías de Motociclismo, entonces el fabricante

buscará chasises más eficientes estructuralmente.

Planteamiento del Problema

Para conseguir diseñar un Chasis para motocicleta deportiva más eficiente

estructuralmente, se debe optar por la configuración que por sí misma contribuya a

lograr el objetivo, encontrar un material fácil de manufacturar, disponible en el mercado

y a un costo razonable para la aplicación final, tomar en cuenta el proceso de

construcción que implicará la forma del chasis y el material elegido.

Es necesario conocer el tipo de cargas que actúan sobre este tipo de estructuras y a

qué tipo de esfuerzos y deformaciones se somete el material, para optar por la mejor

solución de diseño que resulte atractiva para el cliente.

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Objetivo general

Diseñar un Chasis de Titanio para Motocicleta Deportiva modelo BMW Krauser MKM

1000 que resulte más eficiente estructuralmente que uno hecho de Acero.

Objetivos específicos

1. Definir las características de diseño que tendrá el chasis propuesto para

motocicleta deportiva

2. Modelar el chasis propuesto con software CAD

3. Conocer el comportamiento estructural que tiene el chasis propuesto bajo

condiciones típicas en motocicletas deportivas

4. Definir los procesos de manufactura que requerirá la propuesta de diseño de

chasis para motocicleta deportiva

Preguntas de investigación

1. ¿Cuáles son las características de diseño que tendrá el chasis propuesto para

motocicleta deportiva?

2. ¿Cómo modelar el chasis propuesto con software CAD?

3. ¿Cuál es el comportamiento estructural que tiene el chasis propuesto bajo

condiciones típicas en motocicletas deportivas?

4. ¿Cuáles son los procesos de manufactura que requerirá la propuesta de diseño

de chasis para motocicleta deportiva?

Hipótesis

Si se diseña un Chasis de Titanio para Motocicleta Deportiva BMW Krauser MKM

1000, entonces se contará con una opción más eficiente estructuralmente para los

clientes de este producto.

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Introducción

Este trabajo describe el proceso y las consideraciones necesarias para diseñar el

Chasis de una motocicleta tipo deportiva.

Capítulo 1, Estado del Arte.

En este Capítulo se abordan los orígenes de la motocicleta y por ende su estructura,

la evolución del chasis y que parámetros se convirtieron en los principales

requerimientos de diseño; configuraciones de chasis y materiales usados actualmente,

sus ventajas y desventajas; así como las tendencias de diseño.

Capítulo 2, Definición de las Características de Diseño.

En este Capítulo se establecen las características de diseño del Chasis propuesto y

se justifica el porqué de la forma, materiales, y procesos de manufactura.

Capítulo 3, Modelado del Chasis.

En este Capítulo se describe el proceso que se siguió para modelar el Chasis en

base a las características de Diseño elegidas en el Capítulo 2. Las consideraciones que

se tomaron en cuenta teniendo en mente el comportamiento estructural y los procesos

de manufactura que se requerirán.

Capítulo 4, Análisis Estructural del Chasis.

En este Capítulo se describe las condiciones de frontera, propiedades de material,

tipo de mallado, método de solución y condiciones de carga tomadas en cuenta para

obtener los Modos de Vibración de la estructura así como los Esfuerzos y

Deformaciones en el material bajo Cargas Estáticas.

Capítulo 5, Procesos de Manufactura Aplicables al Chasis Propuesto

En este Capítulo se plantean los procesos necesarios para llevar a cabo la

construcción del Chasis propuesto, cuidando no modificar las características de diseño

establecidas.

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Marco Teórico

¿Qué es una motocicleta?

Comúnmente llamada “moto”, la motocicleta es un vehículo motorizado que puede

ser de 2 o 3 ruedas. Las motocicletas varían mucho de acuerdo a su propósito, como

puede ser largas distancias, viajes placenteros, ciudad, campo, todo terreno.

Las motocicletas son uno de los vehículos más económicos en todo el mundo, y más

usados también, teniendo en cuenta que es el vehículo motorizado más común.

Tipos de Motocicletas

A lo largo de la historia, y conforme a las circunstancias sociales se han desarrollado

diferentes tipos de motocicletas, pudiendo ser englobadas la mayoría como sigue:

Sport

Una motocicleta sport o deportiva es una motocicleta de altas prestaciones

destinada al uso en la vía pública con características de conducción más agresivas que

las de una motocicleta de turismo; su estética trata de imitar a las motos de

competición de velocidad, adoptando carenados en los que se favorece la penetración

aerodinámica a cambio de la disminución de la protección del piloto. La posición de

conducción de estas motocicletas es usualmente muy agresiva obligando al cuerpo a

estar muy adelantado. Se trata de motos muy potentes, en las que sus motores se

diseñan para obtener de ellos las máximas prestaciones, en detrimento de su

comportamiento a bajos y medios regímenes. Habitualmente son las motos de calle

con mejor relación peso/potencia. Esto se consigue con motores de alta cilindrad y

materiales ligeros.

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Figura M.1. Suzuki GSXR600

Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.12).

Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta

Scooter

Un scooter es un tipo de vehículo motorizado de dos ruedas con un cuadro abierto

en el que el conductor se sienta sin montar a horcajadas sobre parte alguna del motor.

La mayoría de los scooters modernos tienen ruedas más pequeñas que las

motocicletas. En contraste con la mayoría de las motocicletas, las scooters suelen

tener carrocería, incluyendo una protección frontal para las piernas y un cuerpo que

oculta toda o la mayor parte de la mecánica. El diseño clásico presenta un suelo plano

para los pies del conductor y a menudo incluye algún hueco de almacenaje integrado.

Hasta ahora, sus prestaciones eran modesta, dada la escasa cilindrada de sus

propulsores, si bien recientemente, han aparecido modelos con propulsores de hasta

650 c.c., con lo que se aumentan sus posibilidades de uso.

Figura M.2. Motocicleta Scooter



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Turismo

Es un tipo de motocicleta diseñado específicamente para realizar largos viajes.

Tienen motores de media cilindrada, una posición de conducción erguida, parabrisas y

tanque de combustible grandes, y suelen llevar maletas a los lados en la parte trasera.

Figura M.3. BMW R1200 RT



Gran Turismo

Son motocicletas dotadas de amplios carenados, con los que se ofrece una gran

protección a los ocupantes, dado que están pensadas para circular con pasajero. Dado

su alto peso, disponen de motores de alta cilindrada, con gran cantidad de par a bajo y

medio régimen, por lo que su nivel de prestaciones es inferior a lo que se podría

deducir de su cilindrada.

Figura M.4. Honda Gold Wing GL 1800



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Naked

Estas motos están desprovistas de cualquier tipo de carenado por lo que gran parte

de su mecánica está a la vista. Se comenzó a utilizar esta denominación con una

nueva generación de motocicletas, posterior a la implantación masiva del carenado, en

la que se pretende ofrecer una imagen retro tal y como eran las motos hasta entonces.

Figura M.5. Kawasaki Z1000



Custom

El término custom proviene originalmente del inglés to customize, que se refiere a la

personalización de algo que fue creado enserie de forma industrial e impersonal. En

este caso define un tipo de motocicleta que ofrece la posibilidad de personalización y

modificación de acuerdo a los gustos de su dueño.

Figura M.6. Harley-Davidson Springer



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Chopper

Una chopper es un tipo de motocicleta modificada que carece de elementos

innecesarios. Puede estar basada en una motocicleta de serie o ser creada desde cero.

Con respecto a las motocicletas tradicionales, las chopper suelen ser más livianas,

tienen tanques de combustible más pequeños y sus parabrisas, luces, guardabarros y

asientos son más pequeños o directamente fueron quitados.

Figura M.7. Motocicleta estilo chopper



Trail

En la actualidad son modelos de carretera con ciertas aptitudes para circular por

caminos y sendas forestales de escasa dificultad. Para ello, cuentan con suspensiones

de gran recorrido y rueda delantera de mayor diámetro, en ambos casos respecto a los

modelos de carretera. Son motos muy prácticas con grandes cualidades turísticas dada

su posición de conducción.

Figura M.8. Honda Africa Twin 750

Fuente: Fuente: Asier Larrauri García (2012, p.17).


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Cross

Este tipo de motocicletas están diseñadas para hacer motocross. Tienen las

suspensiones con más recorrido que otro tipo de motocicletas y se aplica toda la

potencia para sacarle la mayor aceleración posible ya que no hace falta que tengan

mucha velocidad. Son motocicletas que no están homologadas para circular por las

calles ya que carecen de faros y matrícula.

Figura M.9. Suzuki DR Z125



Ciclomotor

Constituyen la mayor parte de la producción de motocicletas, aunque la legislación

no las considere como tales. Su cilindrada está limitada a 50 c.c. y su velocidad

máxima a 60 km/h. En esta categoría se pueden encontrar desde scooters hasta motos

naked, deportivas, de campo, etc. Deben su éxito a su bajo precio y a la posibilidad de

conducirlos simplemente con una licencia desde los 14 años.

Figura M.10. Ciclomotor Aprilia



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Componentes Principales

Las partes que componen a la mayoría de las motocicletas son las siguientes:

Figura M.11. Partes de una motocicleta



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Motor

El motor es el encargado de generar el par necesario para acelerar la motocicleta.

Suelen usarse motores de combustión interna de dos o cuatro tiempos. El motor de

cuatro tiempos compite en las pequeñas cilindradas con el motor de dos tiempos que le

aventaja en simplicidad y ligereza, y en las grandes con su variante Diesel, que lo hace

en economía. La cilindrada depende del modelo de motocicleta en cuestión. Dejando a

un lado consideraciones sobre la suavidad y regularidad de marcha o arranque, se

puede afirmar que, salvo excepciones, siempre que se ha aumentado el número de

cilindros ha sido en busca de mayor potencia. Esto es así, porque en cualquier motor

sólo existen dos maneras de incrementarla con facilidad, que son aumentar la

cilindrada, o elevar el régimen de funcionamiento.

El motor, en muchos casos, tiene también una función estructural, ayudando así al

chasis a soportar los diferentes esfuerzos. La refrigeración del motor puede ser

mediante aire o agua.

Figura M.12. Motor de 4 tiempos, 2 cilindros horizontalmente opuestos.

Fuente: http://www.ketchum.org/BMWEnginePix/

Fecha de Consulta: 2013-Octubre-05

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Chasis

El chasis o bastidor de la motocicleta es la estructura que integra entre sí y sujeta

tanto los componentes mecánicos, como el grupo moto-propulsor y la suspensión de

las ruedas, incluyendo la carrocería si fuera el caso. Aporta rigidez y forma a la

motocicleta. Además sostiene varias partes mecánicas como el motor, la suspensión, el

sistema de escape y el sistema de dirección. Esto desde el punto de vista estático.

La función dinámica del chasis es -considerándolo como el componente más

significativo de una motocicleta- aportar fortaleza y estabilidad en diferentes

condiciones. Para que la motocicleta sea estable, el chasis debe soportar cargas en

flexión y torsión lo suficiente para mantener el eje de dirección en el mismo plano que

la llanta trasera, bajo cualquier tipo de condición (vuelta, frenado, aceleración,

impactos) sin deformación plástica en su estructura.

El chasis, que puede ser simple, de doble cuna, multitubular, de chapa estampada,

doble viga, monocasco, etc. Suele construirse preferentemente en acero o aluminio, en

casos más raros en magnesio, carbono o titanio. Formato a imagen

Figura M.13. Partes del Chasis

Fuente: M. Arias-Paz Guitan (2003, p.549). Motocicletas (32ª ed.)

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Si nos fijamos en la figura 1, por una parte tenemos la zona de anclaje de la

suspensión delantera “A”, que al ser esta habitualmente una horquilla telescópica, es

un eje que se denomina “pipa de dirección”. Por la propia estructura de la horquilla este

punto se sitúa en la parte delantera, en la parte más alta del chasis. El otro punto de

anclaje de la suspensión suele ser el eje del basculante “B”, que debe combinarse con

un soporte para el o los amortiguadores traseros “C”, e incluso los anclajes de las

bieletas de la suspensión trasera “D”, si es que éstas existen. Estas dos zonas están

sometidas a grandes esfuerzos, por lo que conviene que sean lo suficientemente

rígidas.

Por otro lado el chasis debe unir ambos anclajes con una estructura “E”, y aquí es

donde aparece la variedad. Los distintos tipos pueden realizarlo con tubos, chapas,

vigas gruesas, etc. Pudiendo ser éstos igualmente los empleados para los anclajes.

Otros elementos que debe tener el chasis son los anclajes para el motor “F”, lo

suficientemente resistentes como para que no les afecte ni el peso ni las vibraciones de

dicho motor. El motor es ocasionalmente parte de la estructura del chasis ya que,

debido a su gran resistencia, puede realizar funciones portantes, permitiendo que el

chasis sea más ligero.

También hay que sujetar al piloto mediante la estructura “G” (normalmente conocida

como subchasis) y a los diferentes elementos accesorios como el depósito de la

gasolina y la carrocería en general. Si se incluye el basculante trasero “H” como un

elemento del chasis, hay que señalar que esta pieza está sometida a unos grandes

esfuerzos y que debe ser muy resistente.

Eficiencia Estructural

Es la relación entre Rigidez (fuerza necesaria para tener un desplazamiento unitario)

y Peso de una estructura, entre más eficiente sea el chasis, pesara menos y será más

rígido.

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Software CAD

Computer-aided design (CAD) es el uso de programas computacionales para crear

representaciones gráficas de objetos físicos ya sea en segunda o tercera dimensión

(2D o 3D). El software CAD puede ser especializado para usos y aplicaciones

específicas. En las aplicaciones de diseño industrial y de producto, CAD es utilizado

principalmente para la creación de modelos de superficie o sólidos en 3D, o bien,

dibujos de componentes físicos basados en vectores en 2D. Sin embargo, CAD

también se utiliza en los procesos de ingeniería desde el diseño conceptual y hasta el

layout de productos, a través de fuerza y análisis dinámico de ensambles hasta la

definición de métodos de manufactura. Esto le permite al ingeniero analizar interactiva

y automáticamente las variantes de diseño, para encontrar el diseño óptimo para

manufactura mientras se minimiza el uso de prototipos físicos.

Software CAE

Ingeniería asistida por computadora (CAE) es el uso de software computacional para

simular desempeño y así poder hacer mejoras a los diseños de productos o bien

apoyar a la resolución de problemas de ingeniería para una amplia gama de

industrias. Esto incluye la simulación, validación y optimización de productos, procesos

y herramientas de manufactura.

Un proceso típico de CAE incluyen pasos de pre-procesado, solución y post-procesado.

En la fase de pre-procesado, los ingenieros modelan la geometría y las propiedades

físicas del diseño, así como el ambiente en forma de cargas y restricciones aplicadas.

En la fase de post-procesado, los resultados se presentan al ingeniero para su revisión.

Las aplicaciones CAE soportar una gran variedad de disciplinas y fenómenos de la

ingeniería incluyendo:

Análisis de estrés y dinámica de componentes y ensambles utilizando el análisis

de elementos finitos (FEA)

Análisis Termal y de fluidos utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD)

http://www.plm.automation.siemens.com/es_mx/plm/fea.shtml


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Análisis de Cinemática y de dinámica de mecanismos (Dinámica multicuerpos)

Simulación mecánica de eventos (MES)

Análisis de control de sistemas

Simulación de procesos de manufactura como forja, moldes y troquelados

Optimización del proceso del producto

Algunos problemas de la ingeniería requieren la simulación de fenómenos múltiples

para representar la física subyacente. Las aplicaciones CAE que abordan dichos

problemas usualmente se llaman soluciones de física múltiple.

Análisis de Elementos Finitos (FEA)

Por si siglas en Inglés, Finite Element Analysis.

Mayormente utilizado en las industrias aeroespacial, automotriz y biomecánica, FEA

es el modelado de producto o sistemas en un ambiente virtual, con el objetivo de

encontrar y resolver problemas existentes o potenciales estructurales o de rendimiento.

FEA es la manera práctica del método de elemento finito FEM que es usado para

resolver numéricamente problemas muy complejos tanto estructurales, de fluidos o

sistemas multi físicos.

Un modelo de elemento finito comprende un sistema de puntos, llamados nodos, los

cuáles adquieren la forma del diseño. Los elementos finitos se forman conectando

estos nodos entre sí, pudiendo adquirir formas rectangulares, triangulares, poligonales,

etc. Cada uno de estos elementos finitos tiene condiciones de frontera específicas,

condiciones de carga y propiedades asociadas a un material, por lo tanto puede ser

resuelto y ser obtenidos deformaciones y esfuerzos, sobre cada elemento.

Para formas complejas, la sumatoria de los resultados de todos los elementos finitos

en los cuáles fue mallada la forma, es el resultado total.

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Capítulo 1

Estado del Arte

La Motocicleta

En 1885 Gottlieb Daimler y Wilhelm Maybach construyeron lo que se considera la

primera motocicleta de la historia. Esta motocicleta, construida con un bastidor y unas

ruedas de madera, era más una forma de probar un nuevo motor de combustión que

una motocicleta en sí.

Figura 1.1 Primera motocicleta de la Historia, ingeniero Gottlieb Daimler

Fuente: Historia de la Motocicleta (p.1)

Fueron los hermanos Werner quienes plasmaron la tipología de moto que se

mantiene hoy en día. Su motocicleta disponía de un bastidor tubular, muy similar al de

una bicicleta, en el cual el motor se alojaba en la parte central de la moto. La dirección

se encomendaba a una horquilla y el depósito de gasolina ocupaba un lugar central

delante del asiento del piloto, que se situaba sobre el conjunto, manejando la moto a

través de un manillar que incluía los principales mandos.

La “nueva Werner” se manejaba mucho mejor gracias a su centro de gravedad más

bajo y sentó el modelo a seguir. También en 1901 la firma estadounidense Indian

construyó su primer modelo y, un año después, Harley-Davidson haría lo propio.

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Figura 1.2 Motocicleta Werner 1901

Fuente: http://motors-bay.com/werner/262-werner-1901.html


Evolución del Chasis de las Motocicletas

La motocicleta de los hermanos Werner de 1901, es probablemente la primera moto

con una estructura pionera de las actuales. Básicamente se trata de un bastidor de

bicicleta A reforzado que ya instala el motor en su parte central B y, aunque no dispone

de suspensión, ya adopta la horquilla C como método para la dirección del vehículo. El

depósito de gasolina se encuentra en la parte superior, y la estructura está formada por

tubos de acero de pequeña sección, logrando una estructura cerrada, rígida y ligera.

Este tipo de diseño pasará a denominarse "cuna", pudiendo construirse de varias

formas, según sea simple o doble, y cerrada completamente o abierta en la zona del

motor.

Con el tiempo la rigidez debe aumentar y los tubos van agrandando su sección, al

tiempo que los diseñadores más originales comienzan a innovar formas y diseños. La

Scott de 1909 en la plantea un bastidor A abierto por su parte superior, en el que el

motor realiza una función importante. Ya hay suspensión delantera B, aunque la rueda

trasera todavía mantiene un anclaje fijo C. El motor se sitúa de nuevo en la parte

inferior D.

http://motors-bay.com/werner/262-werner-1901.html

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Figura 1.3 Chasis Scott


La BMW R-32 de 1923, no presenta grandes novedades respecto a lo conocido en

ese momento, pero aprovecha el sistema de transmisión A, como elemento resistente,

jugando con una gran ligereza y de nuevo utilizando el tubo de acero B, aunque

intentando emplear las mínimas cantidades, estudiando los puntos más adecuados. De

nuevo el motor situado en la zona C tiene una gran importancia en la función resistente

del chasis.

Figura 1.4 Chasis BMW


A finales de la década de los treinta aparece una motocicleta exclusiva. Está dotada

de un nuevo bastidor A tan exclusivo como ella, la Vincent HRD Rapid de 1939. El

motor situado en la posición B tiene una función portante muy importante, hasta el

punto de que la suspensión trasera está directamente anclada a él por su parte trasera

mediante el tirante C.

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Figura 1.5 Chasis H.R.D


Uno de los bastidores más famosos de la historia es sin duda el que equipaba la

Norton Manx del año 1950. Este chasis hizo famosos a los hermanos McCandless. Se

trata de un chasis A, de tubo de acero de tipo doble cuna cerrada con dos partes bien

diferenciada. Por un lado, la estructura que soporta el motor B, formada por una doble

cuna cerrada, y por otro, un subchasis posterior C, que sirve de soporte para el piloto y

para la amortiguación posterior D, que se realiza por medio de un sistema de

basculante articulado y amortiguadores.

Figura 1.6 Chasis Norton


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El chasis que muestra la Figura 2.7 vuelve a emplear el motor como un elemento

estructural importante.

Figura 1.7 Chasis Honda


La Norton Challenge muestra un chasis del tipo "multitubular" señalado como A. Se

trata de una derivación de los bastidores tradicionales de tubo, pero, en vez de adoptar

las clásicas estructuras de tipo cuna, ancla el motor por la parte superior con

numerosos tubos de sección recta B, de modo que los tubos no trabajen con esfuerzos

de flexión. De esta manera, se aumenta de manera considerable la rigidez de la

estructura, sin que ello represente un mayor peso. Esta estructura es complicada y

cara, pero, hasta la llegada de los siguientes bastidores, se consideraba como la mejor

para motocicletas de altas prestaciones.

Figura 1.8 Chasis Norton


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La gran revolución de la estructura y forma del chasis llegó a principios de los años

80, cuando prácticamente a la vez Yamaha y un pequeño constructor de motos de

carreras, Antonio Cobas, presentan la estructura que con el tiempo pasaría a llamarse

de "doble viga". En este caso, con una aleación ligera, se forma una estructura A, que

une directamente la pipa de sujeción de la suspensión delantera B con el eje del

basculante trasero C. Se consigue una estructura muy rígida y a la vez ligera y sencilla

de fabricar.

Figura 1.9 Chasis Cobas


En la actualidad, los tipos de doble viga dominan el mercado de la moto de carretera,

donde el precio de las aleaciones ligeras está permitido. El acero y el aluminio son los

materiales empleados, aunque es el primero el más utilizado por su menor coste.

Figura 1.10 Chasis de Doble Viga Cerrado, Kawasaki ZRX 750 (1990)

Fuente: Asier Larrauri García (2012, p41).

Diseño y Estudio de Modificación de Chasis y Basculante de una Motocicleta.

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Tipos de Chasis Actuales

Chasis tipo viga

Esta clasificación comprende varios tipos diferentes (espina dorsal tubular, viga de

acero prensado, monocoque y el doble viga) que utilizan miembros de sección grande

para su rigidez inherente bajo cargas de torsión y flexión. Las vigas también se pueden

combinar con triangulación para producir un diseño práctico.

Chasis tipo Triangular

Aunque éste tipo pueden tener una eficiencia estructural extremadamente alta, han

encontrado poca aceptación entre los principales fabricantes. Probablemente esto se

debe a la forma y tamaño de los tipos de motores más populares requieren una

estructura amplia y complicada (por lo tanto caro).

Ambos enfoques de diseño pueden tomar en cuenta al motor como elemento

estructural secundario o principal.

Existen también los chasis de configuración monocoque, los cuáles emplean como

estructura principal la carrocería o carenado de la máquina .

Procesos de manufactura en Chasis para motocicleta.

Los procesos empleados para la construcción del chasis dependen del tipo al que

pertenezca este. Así tenemos que para chasis monocoque, puede ser forja o fundición,

así como los chasis con doble viga intervienen la fundición y la soldadura, mientras

que los chasis tubulares requieren de mucha soldadura en sus piezas que suelen ser

fundidas y maquinadas.

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Tendencias de Diseño en Chasis

El diseño óptimo del chasis depende del tamaño y la forma del motor y la finalidad

prevista de la máquina. Mientras que una pequeña columna vertebral tubular o de

acero prensado se adapte a una motocicleta tanto por razones estructurales y

económicas, las máquinas de grades prestaciones pueden ser mejor diseñadas con el

motor como el principal elemento estructural. A pesar de posibles beneficios

estructurales y económicos, esta configuración no ha encontrado mucha aceptación

entre los principales fabricantes, donde podría desarrollarse fluidamente, ya que el

motor debe ser especialmente diseñado con requerimientos estructurales.

La tradición probablemente ha garantizado la supervivencia del bastidor múlti-

tubular, tal vez con un mayor uso de acero prensado. A su favor esta su fácil

adaptabilidad a diferentes tamaños y estilos de motores. Pero es difícil de producir en

masa de forma barata.

La configuración de chasis actual de elección para máquinas deportivas, ha sido el

marco de doble viga de aluminio, por su facilidad de ser producido a bajos costos en

grandes cantidades, sin embargo necesitan de un motor especialmente diseñado para

funcionar como elemento estructural, y muchos ejemplos no proporcionan una rigidez

suficiente por sí mismos. Por otro lado se observa en los campeonatos mundiales de

motociclismo que la configuración tubular también es una buena solución de diseño

para el rendimiento de la motocicleta.

Figura 1.11 Ducati GP9, Chasis de Carbono

Fuente: http://www.motorpasionmoto.com/motogp/ducati-gp9-y-su-chasis-de-carbono

. Fecha de Consulta: 2012-Octubre-05.

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Cargas sobre el chasis

En este apartado se tratarán las fuerzas que se ejercen sobre el chasis de una

motocicleta en las situaciones más extremas: en frenada máxima en la rueda delantera

y en paso por curva.

Frenada máxima en la rueda delantera

En esta situación se considerará que solamente se frena con el freno delantero con

la máxima eficiencia posible. Este caso someterá a máxima flexión el chasis, ya que si

se utilizase también el freno trasero su acción reduciría el momento aplicado por la

horquilla en la pipa de dirección.

La fuerza de frenada en la situación límite vendrá determinada por la geometría de la

moto. Las fuerzas representadas en la figura muestran el peso P de la moto (y piloto en

su caso) y su reacción en el suelo F1 y F2. La fuerza debida a la inercia que lleva la

moto debido a su deceleración es representada por F4. Esta fuerza es compensada en

la frenada con la reacción que el suelo realiza sobre el neumático F3.

Figura 1.12 Fuerzas en frenada máxima en rueda delantera



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La suma vectorial de P y F4 será un vector aplicado en el CDG que deberá estar

alineado, en el caso límite, con el vector resultante de la suma vectorial de F3 y F2,

situado este último en el punto de contacto entre la rueda delantera y el asfalto. Si las

fuerzas F3 y F4 aumentaran por encima de la situación límite, la moto de la figura

empezaría a girar es sentido antihorario a través de un eje situado perpendicular al

dibujo y que pasa por el punto de contacto entre el neumático delantero y el asfalto.

Se debe tener en cuenta que la frenada provoca el hundimiento de la horquilla,

fenómeno que tiene por efecto secundario bajar el CDG de la moto y disminuir la

distancia vertical entre F4 y F3, aunque no se considerará ya que suponer la situación

rígida provoca una solicitación mayor, por lo que será un caso de diseño aún más

crítico.

Paso por curva

Este análisis se efectuará considerando el paso por curva de la moto con su

inclinación máxima, y por tanto, no existirán fuerzas de aceleración ni de frenada ya

que todo el agarre del neumático se destinará a vencer la fuerza centrífuga debido al

paso por curva. El vector resultante de la suma vectorial de F1 y F2 deberá ser colineal

con el de la otra suma vectorial de P y F3 tanto en la rueda trasera como en la ruda

delantera.

Figura 1.13 Fuerzas en paso por curva



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El punto de aplicación de la fuerza entre los neumáticos y el asfalto se verá

desplazado hacia la derecha respecto al plano de simetría vertical de la moto debido a

la inclinación, el ancho de neumáticos y al avance al aplicar el ángulo de deriva

necesario para tomar la curva. La postura de “descuelgue” del piloto compensa este

efecto desplazando el CDG también hacia la derecha respecto al plano mencionado

anteriormente, provocando un esfuerzo torsional añadido.

Figura 1.14 Posición de “descuelgue” del piloto



Estabilidad en una motocicleta

Cuando se habla de la estabilidad de las motocicletas, es común que rápidamente

se piense en el efecto giroscópico de las ruedas en rotación. Dicho efecto existe y

aporta su granito de arena pero su efecto es relativamente pequeño, no es suficiente

para mantener la estabilidad de la moto ni siquiera en línea recta. De hecho, es posible

construir motocicletas sin efecto giroscópico. Basta con añadir ruedas que giren en el

sentido contrario (pero sin tocar al suelo para no frenar el movimiento). Este

movimiento contrario contrarresta el momento angular de las ruedas normales. Si el

efecto giroscópico fuera esencial para la estabilidad de la motocicleta, estos vehículos

no deberían poder circular. Pero eso no es así. El único lugar en que el efecto

giroscópico es realmente importante es en la competición. En una carrera queremos ir

siempre al límite y por lo tanto aprovechamos cualquier ayuda. Aunque sea

relativamente poco, algo aporta, y por lo tanto permite ir un poco más rápido en curva.

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Físicamente, una moto es lo que llamamos un péndulo invertido. En un péndulo

normal tenemos un punto fijo y una masa que cuelga por debajo de él. Si movemos un

poco la masa de su sitio, la gravedad tirará de él y, por lo tanto, volverá a bajar por su

propio peso. Es decir, un péndulo simple vuelve por si sólo a la posición de equilibrio,

decimos que es un “sistema estable”.

Sin embargo, una motocicleta funciona justo al revés. El punto fijo (donde las ruedas

contactan con el pavimento) está por debajo de la masa. Puede mantenerse en

equilibrio únicamente si el centro de gravedad permanece justo por encima de la línea

que une ambas ruedas. Pero cualquier desviación, por pequeña que sea, hará que el

peso la tire al suelo. Es decir, por si solo el péndulo invertido tiende a alejarse de la

posición de equilibrio, es un “sistema inestable”.

Por lo tanto, debemos compensar tan rápidamente como sea posible cualquier

pequeña desviación que ocurra. Es imperativo hacer que el centro de gravedad vuelva

a estar sobre la línea que une los puntos de contacto de cada rueda con el suelo.

Esencialmente, hay dos formas de hacerlo:

Dejar las ruedas quietas, y simplemente cambiar de sitio el centro de gravedad

para que vuelva a la línea de estabilidad. Por ejemplo, si la moto está

empezando a ladear hacia la derecha, lo que podemos hacer es desplazar

nuestro cuerpo hacia la izquierda. El cambio de posición de nuestra masa,

corrige la posición del centro de gravedad del sistema moto-piloto, devolviendo

la estabilidad.

Dejar el centro de gravedad donde está, y mover las ruedas de forma que la

línea que las une vuelva a estar debajo del centro de gravedad. Esto se

consigue girando el manillar y avanzando (o retrocediendo) un poco. Al

movernos unos centímetros con el manillar girado, la moto gira un poco. Por lo

tanto, la línea que une ambas ruedas también gira, y se vuelve a situar debajo

del centro de masas, recuperando la estabilidad.

De estas dos formas podemos mantener el equilibrio cuando la motocicleta está

quieta, o se desplaza a muy poca velocidad. La primera de ellas funciona mejor en

vehículos ligeros, como bicicletas o ciclomotores. En una moto grande, la masa de

31

nuestro cuerpo es pequeña en comparación con la del conjunto, por lo que la influencia

de nuestra postura es menor. Por eso en una moto grande la mejor opción es mover el

manillar. Cuando la moto se está moviendo a gran velocidad, el sistema no cambia

mucho. Es cierto que la tendencia de las ruedas a mantener el plano de su rotación

puede compensar parte de las desviaciones laterales que se producen, pero como ya

se ha mencionado, este efecto giroscópico no es suficiente para mantener la

estabilidad. De hecho, seguimos teniendo las mismas opciones anteriormente

descritas: o bien el piloto se balancea un poco para mantener el equilibrio, o bien

giramos el manillar. El primer método funciona especialmente bien en las bicicletas. En

ellas, al ser muy ligeras, el ciclista necesita balancearse muy poco para compensar las

pequeñas desviaciones pudiendo cubrir grandes distancias sin siquiera tocar el

manillar. Sin embargo el método más útil es girar el manillar. Pero se debe hacer con

sutileza: como ahora nos estamos moviendo a gran velocidad, cualquier mínimo giro en

el manillar, se traduce en un desplazamiento lateral de la moto muy exagerado. Por lo

tanto, cuanto más rápido se va, menos es necesario mover el manillar para mantener el

equilibrio. De hecho, a grandes velocidades, las correcciones son tan sutiles que casi

se realizan de forma inconsciente. .

Características de Diseño

La geometría de la motocicleta es una parte fundamental en su diseño, sobre todo

desde el punto de vista de la seguridad de marcha. Destaca la geometría del chasis,

con unas medidas y ángulos específicos facilitados por el fabricante que influyen

directamente en que la motocicleta tenga un comportamiento perfecto, con estabilidad

a cualquier velocidad y circunstancia, ya sea en línea recta o en curva. La geometría

tiene cada vez más importancia debido a la aparición de nuevos modelos cada vez más

potentes y prestacionales que requieren mayor estabilidad en movimiento. La

configuración geométrica del chasis influye además de manera decisiva en el

comportamiento de la parte ciclo de la moto, que en gran parte decidirá que una moto

sea más o menos estable a elevada velocidad.

32

La geometría del chasis, así como el reparto de pesos son características que

condicionan que una moto sea estable, o por el contrario ágil y nerviosa, debiendo el

fabricante encontrar entre todas ellas un compromiso que permita un uso racional de

cada modelo. En la geometría de la motocicleta hay 2 ejes esenciales: el de dirección y

el basculante. El eje de dirección lo configura la línea sobre la cual gira el sistema de

dirección; es decir, la tija y la horquilla delantera. Aquí ancla el tren delantero al chasis.

También se denomina eje del cabezal de dirección o eje de la pipa. El eje del

basculante es el eje sobre el que gira el basculante trasero; es decir, donde ancla el

tren trasero.

Figura 1.15 Ejes principales de la motocicleta



La geometría de la moto está influenciada por varias medidas, entre las que

destacan las de la dirección. Esta queda determinada por 2 factores: el avance y el

propio ángulo de avance o de dirección.

Lanzamiento

El ángulo de avance o de dirección, también llamado lanzamiento, es el formado por

el eje de la dirección con la vertical. Es un ángulo muy importante, pues determina, en

colaboración con otros factores, la facilidad de la motocicleta para inclinarse al tomar

curvas. De hecho, las motocicletas de un mismo segmento suelen tener un ángulo de

lanzamiento muy similar. Para un mismo avance sucede generalmente que un ángulo

de dirección menor confiere mayor facilidad de giro.

33

Figura 1.16 Lanzamiento en una motocicleta



Para motos convencionales este ángulo varía entre 22 y 29 grados pero se pueden

encontrar casos especiales como las chopper. Este ángulo deja de tener importancia

en sistemas como el Telelever de BMW, suspensiones de paralelogramo o monobrazos

delanteros.

Avance

Es la distancia entre el punto de contacto de la rueda delantera con el terreno y la

prolongación del eje de la dirección a su intersección con el suelo. La rueda, debido a

la inclinación del eje de dirección y a que éste no pasa por el centro de la rueda, no gira

alrededor del punto de contacto del neumático con el suelo. Esto provoca el

autoalineamiento de la rueda delantera que, de no mediar fuerzas aplicadas sobre la

dirección, tiende a seguir siempre una trayectoria rectilínea aportando estabilidad.

Cuanto mayor es el avance más intensa es esta tendencia. El objetivo principal del

avance es el de dar a la motocicleta una cierta estabilidad en línea recta. Este avance

produce sobre la rueda delantera un momento (Fuerza x Distancia), que es

precisamente el que nos ayuda a conducir la moto. Mientras el avance sea positivo,

este momento siempre girara la dirección para ayudar a la rueda a ir en la dirección

deseada, mientras que si el avance se vuelve negativo este momento girará

bruscamente la dirección hacia dentro y provocará una caída. La principal función del

avance de la rueda delantera es proporcionar una cierta estabilidad direccional.

34

Figura 1.17 Avance en una motocicleta



Los avances típicos para motos de carretera están entre 80 y 120mm pero hay que

decir que pequeñas variaciones en este pueden producir grandes cambios.

Un avance Mayor nos proporcionará un momento mayor pero nos restará agilidad.

Un avance Pequeño nos proporcionará un momento menor pero la moto será muy ágil.

Distancia Entre Ejes

La batalla o distancia entre ejes es la cota entre los ejes de ambas ruedas cuando la

motocicleta está en reposo. En parte determina la manejabilidad, aumentando con ella

la tendencia a seguir recto cuando se inicia un giro. Cuanto más larga es la moto, más

ángulo ha de girar la dirección para tomar una curva. Por tanto, la distancia entre ejes

también influye en la maniobrabilidad. En muchas motocicletas es normal un ajuste de

entre 20-40mm para el tensado de la cadena. Aunque la distancia entre ejes no es un

tema crítico en el sentido de que tiene que ser exacto, influye mucho la maniobrabilidad

de la moto y su feeling. Superando los 1450 mm se deja de sentir agilidad y esta no se

recupera aunque se utilicen cotas súper agresivas. Por eso la cadena de transmisión

tiene cierto margen de estiramiento y la práctica de cortar eslabones para mantener la

tensión de ésta tiende a disminuir la distancia entre ejes.

35

Figura 1.18 Distancia entre ejes



Una distancia entre ejes grande produce una gran estabilidad en recta.

Una distancia entre ejes corta provoca lo contrario, poco estable en recta.

La interacción de los tres elementos anteriores (Avance, Lanzamiento y Distancia

entre ejes) es crucial para determinar el comportamiento de una motocicleta.

Las horquillas convencionales es el mejor mecanismo para combinar estos factores

ya que:

1. Cuando frenamos la horquilla se “hunde”, por lo tanto el lanzamiento disminuye:

las barras se vienen hacia adentro y consecuentemente disminuye el avance. Esto nos

proporciona dos cosas: menor distancia entre ejes (moto más ágil) y mejor

maniobrabilidad. Justo lo que necesitamos para entrar cómodamente en una curva.

2. Cuando aceleramos (por ejemplo en la autopista) la horquilla delantera se

extiende, aumentando el lanzamiento y consecuentemente el avance; esto nos

proporciona mayor distancia entre ejes y menos maniobrabilidad (dirección más dura),

con el consecuente aumento de estabilidad, lo que necesitamos para ir seguros a gran

velocidad.

36

Materiales

Titanio

El titanio es un elemento metálico de color gris oscuro, de gran dureza, resistente a

la corrosión y de propiedades físicas parecidas a las del acero. Presenta una estructura

hexagonal compacta, es duro, refractario y buen conductor de la electricidad y el calor.

También se caracteriza por su alta resistencia a la corrosión y cuando está puro, se

tiene un metal ligero, fuerte, brillante y blanco metálico de una relativa baja densidad.

Posee muy buenas propiedades mecánicas y además tiene la ventaja, frente a otros

metales de propiedades mecánicas similares, de que es relativamente ligero.

La aleación más empleada es la Ti-6Al-4V (con un 6% de Aluminio y un 4% de

Vanadio), que tiene unas extraordinarias propiedades mecánicas: Resistencia a la

tracción de 896 MPa, límite elástico de 827 MPa, ductilidad del 10%, dureza de 33 HRB

y una soldabilidad muy buena. Las aleaciones de Titanio permiten una la fabricación de

piezas con una relación resistencia/masa envidiable y es posible esto le haga ser el

material del futuro para la construcción de elementos mecánicos, con resultados

excepcionales, en el campo de las motocicletas de competición.

El uso del Titanio en chasis empezó hace algunos años, cuando éste dejó de ser un

metal de uso sólo en el ámbito aeronáutico. Sin embargo, hay cambios notables con

respecto a las aleaciones que se usaban en un principio, y las actuales. En aquel

momento, se comenzaron a construir en Titanio los chasis tubulares. Pero estos

vibraban demasiado, ya que el tamaño de los tubos era igual que el de los tubos de

acero, y el Titanio, tiene la mitad de módulo. Por esta razón, los primeros intentos

fueron un fracaso debido a los costes elevados, y procesos de construcción muy

rudimentarios hicieron el resto.

37

A mediados de los años 70, debido a que muy pocas empresas tenían fondos como

para desarrollar los conocimientos para el tratamiento y manejo del Titanio, la

Federación Internacional de Motociclismo (FIM) prohibió el uso de componentes de

este material tanto para el chasis como para las suspensiones en motocicletas de

competición. En la actualidad, la situación es completamente distinta, han aparecido en

escena nuevas aleaciones con mejores características, reduciéndose el precio final (a

pesar de que sigue siendo elevado), de esta manera el Titanio ya no es un material

crítico, pudiendo ser trabajado y tratado sin excesivas dificultades.

Los primeros chasis fueron hechos de madera, y con el paso del tiempo las

aleaciones metálicas pasaron a ser los materiales por elección en la estructura de

motocicletas.

Actualmente se fabrican chasis de aleaciones Ferrosa, de Aluminio, Materiales

Compuestos con Fibra de Carbono como elemento de refuerzo, entre aleaciones

menos comunes que implican materiales como Titanio, Vanadio, Magnesio, Níquel,

Cromo.

Los materiales usados para este tipo de estructuras tienden a ser más eficientes

estructuralmente, lo que significa que la relación Rigidez/Peso sea más alta, para ellos

se usarán Materiales Compuestos principalmente de Fibra de Vidrio así como la

incursión de Nano Materiales una vez que el desarrollo de ambos este consolidado

38

Capítulo 2

Definición de las Características de Diseño

En base a la investigación que se realizó, se sabe que los chasises de configuración

tubular y con arreglo de armadura, son estructuralmente muy eficientes, ya que son

ligeras y son muy rígidas. Están sometidas a cargas de tensión y compresión, no de

flexión.

Por estas razones se decidió escoger una estructura del tipo armadura con

elementos de sección tubular de 4 diámetros y espesores diferentes.

Diámetro de 21.3 mm con espesor de 2 mm para los elementos intermedios

Diámetro de 33.7 mm con espesor de 3 mm para los elementos perimetrales

Diámetro de 48.3 mm con espesor de 4 mm para los elementos del eje

trasero.

Diámetro de 76.1 mm con espesor de 4 mm para el elemento que encerrará a

la pipa de dirección.

La suspensión trasera se supone rígida y sin amortiguamiento, para facilitar el

diseño y el análisis.

Se asignará una aleación de Titanio Ti-6Al-4V a la estructura con las siguientes

propiedades:

Densidad = 4420 kg/m^3

Módulo de Elasticidad = 110 GPa

Esfuerzo último en tensión (UTS) = 1000 MPa

La ventaja de este tipo de configuración es que no necesita un motor

específicamente diseñado para servir como elementó estructural, por lo que se tienen

diferentes posibilidades en elección de motor.

39

Se tomará como base el modelo de Chasis Krauser diseñado para la motocicleta

BMW MKM 1000

Figura 2.1 Chasis BMW Krauser

Fuente: Tony Faole (2002, p.10-11). Motorcycle Handling and Chassis Design the Art & Science

Figura 2.2. Motocicleta Deportiva BMW Krauser MKM 1000 1982

En el diseño de este Chasis no se toma en cuenta características de geometría

como el Avance, la distancia entre ejes o el lanzamiento. Ya que estos parámetros

tienen más relevancia en el comportamiento dinámico de la motocicleta, y en este

trabajo no se aborda la dinámica del vehículo.

40

Capítulo 3

Modelado del Chasis

A través del software CAD, CATIA® desarrollamos la geometría del chasis cuestión

de este trabajo.

Dentro del módulo de “Part Design” se estableció la posición de origen en el eje

simétrico del chasis, y basándose en el modelo BMW Krauser Figura X se

determinaron las coordenadas de los nodos de la estructura, representados por puntos;

dichos puntos se utilizaron para crear líneas entre ellos y así darle forma al chasis

como lo muestra la Figura 3.1.

Figura 3.1 Líneas y puntos del Chasis

Fuente: Desarrollo Propio

Se hizo un plano normal a cada una de las líneas para crear la sección transversal

asignada a cada una de ellas de acuerdo a los parámetros de diseño descritos en el

Capítulo 2, se añadió volumen a cada sección transversal y de esta manera fue

tomando forma el chasis.

Mediante Operaciones Booleanas se unieron en un solo cuerpo todos los elementos

de la estructura, posteriormente se crearon las formas que representan los filetes de

soldadura en todas las uniones de los elementos. La Figura 3.2 muestra el resultado.

41

Figura 3.2 Chasis modelado con filetes de soldadura


Finalmente se añadió el material propuesto en el Capítulo 2, una aleación de Titanio.

La Figura 3.3 ilustra el supuesto aspecto del Chasis ya terminado.

Figura 3.3 Chasis de Titanio


Es importante mencionar que el modelado y fabricación de este tipo de estructuras

tubulares debe tomar en cuenta la forma de los cortes de los tubos en los puntos de

unión ya que entre más elementos se unan en un nodo, los cortes necesarios son más

complejos y costosos, aunado a la crítica sustracción de material en los elementos

estructurales.

42

Considerando la manera más fácil para soldar los elementos del chasis en las

uniones más complejas, se optó por añadir un elemento de sujeción común entre los

tubos involucrados. La Figura 3.4 muestra está solución de diseño.

Figura 3.4 Solución de diseño para las uniones tubulares complejas


Este modelo fue exportado con extensión .IGES para poder ser utilizado en el

Software CAE, ANSYS®.

Nota 1: Ver Apéndice I

Dibujo del Chasis para Motocicleta Deportiva Propuesto

43

Capítulo 4

Análisis Estructural del Chasis

Para comprobar que el chasis que fue propuesto en el capítulo 3, es una alternativa

viable y cumple con los requerimientos estructurales de una motocicleta de este tipo,

en este Capítulo se realizaran dos tipos de análisis: análisis estático y modal. Las

consideraciones para cada uno de estos análisis así como los resultados obtenidos se

describirán en este capítulo.

Análisis Estático

En esta parte del análisis se analizara la estructura sometida a cargas estáticas es

decir aquellas que no cambian en el tiempo (peso del conductor, el motor, la

transmisión y componentes necesarios).

Figura 4.1. Chasis modelado, en ANSYS Workbench


44

La malla realizada se realizó con solid187 tetraedros.

Figura 4.2. Malla Chasis


Figura 4.3. Detalle malla


45

Las Cargas consideradas para el análisis estático del chasis se simplificaron en dos

una debida al peso del conductor de la motocicleta y otra debido al peso del motor, el

tanque de combustible, y transmisión. Considerando que el peso máximo para la

motocicleta es de 390 kg, y que el peso de la motocicleta sin piloto y con tanque de

combustible lleno es de 230 kg.

Peso máximo de Conductor: 160Kg →1570 N

Peso Motor, tanque, transmisión y accesorios: 180 Kg →1766 N

(Considerado el peso de la motocicleta sin piloto y con tanque lleno de combustible,

menos los rines y elementos que no son soportados por el chasis)

Figura 4.4. Puntos de Aplicación de Carga


46

Las restricciones se hicieron en todos los grados de libertad en la parte de la

suspensión delantera y en donde llevaría el sistema de la llanta trasera. La imagen de

abajo muestra las cargas y restricciones aplicadas en ANSYS® Workbench.

Figura 4.5. Cargas estáticas debidas al peso del piloto y motor


En este análisis se pueden ver las deformaciones en el chasis debido a cargas

estáticas, donde el mayor desplazamiento se encuentra en la zona donde se aplica la

carga del motor, tanque, transmisión y componentes.

Figura 4.6. Deformaciones Totales en el chasis debido a cargas estáticas


47

Figura 4.7. Deformaciones Totales escala 740:1


La imagen de abajo muestra los esfuerzos en tensión más altos.

Figura 4.8. Esfuerzos Principales Máximos


El mayor esfuerzo se localiza en un punto de aplicación de carga, este esfuerzo se

considera una singularidad por forma en que se consideró aplicada la carga y se

desprecia para el factor de seguridad.

48

Figura 4.9. Pico Máximo de Esfuerzo


Siendo el punto donde se localiza el peor esfuerzo el que se muestra en la imagen

de arriba con una tensión de 176.67 MPa, con este esfuerzo es el que se comparará

con el esfuerzo último del material para obtener el factor de carga y comprobar la

integridad de la estructura.

UTS Titanio= 1000 MPa

Factor de Carga = 1000 MPa / 176.67 MPa = 5.66

Por el resultado anterior se puede concluir que estáticamente la estructura del chasis

propuesto con titanio puede resistir 5.66 veces la carga a la que la se sometió en este

análisis.

Análisis Modal

El análisis modal se realiza para ver las frecuencias naturales de oscilación de la

estructura y comprobar si es lo suficientemente rígida, para evitar resonancia debido a

la vibración producida por el motor.

49

Para el análisis modal se realizó una idealización de la estructura, esto es de gran

importancia en el análisis estructural, ya que con ello se ahorra tiempo de

procesamiento, obteniendo resultados fiables.

La imagen de abajo muestra la idealización el chasis propuesto, líneas sólidas.

Figura 4.10

Fuente: Desarrollo propio

Se le agregara la sección transversal que se definió en el capítulo anterior.

Figura 4.11. Sección Transversal del Chasis

Fuente: Desarrollo propio

50

Figura 4.12

Fuente: ANSYS® Desarrollo propio

Figura 4.13. Mallado, Nodos Totales: 5669

Fuente: ANSYS®, Desarrollo propio

51

A continuación se muestra una tabla con las princípiales frecuencias de vibración de

nuestra estructura.

Tabla 1. Modos de Vibración del Chasis


Tomando en cuenta el motor como la principal fuente de vibraciones que afecta a el

chasis, el cual opera a 6500 RPM (revoluciones por minuto) a máxima potencia se

realiza un diagrama de Campbell para ver las posibles resonancias en el chasis.

.

52

Figura 4.14. Diagrama de Campbell


En el diagrama anterior se puede observar que el chasis propuesto no tendria

problemas de resonancia, para un motor de 6500 revoluciones o menos.

Figura 4.15. Primer Modo de vibración


53

Figura 4.16. Segundo Modo de vibración


Figura 4.17. Tercer Modo de vibración


54

Figura 4.18. Cuarto Modo de vibración


Figura 4.19. Quinto Modo de vibración

Desarrollo Propio

55

Capítulo 5

Procesos de Manufactura Aplicables al Chasis Propuesto

Al tratarse de una estructura tubular con secciones transversales circulares, fueron

elegidas las secciones con diámetros y espesores comerciales, por lo que no será

difícil conseguir los tubos de Titanio.

La aleación propuesta, Ti-6Al-4V es de las más comerciales y accesibles, además

de que se presta para ser soldada.

Este tipo de configuraciones se deben soldar, y el corte de los tubos en las uniones

es algo determinante para una buena fabricación. Lo cortes en los tubos se

recomiendan hacer en una máquina de fresado para poder obtener las curvaturas

necesarias, ya que en algunos tubos estas son complejas.

Finalmente ya con los tubos cortados a la medida se debe empezar a ensamblar

conforme el modelo lo indica ya que la secuencia en cómo se suelden los tubos es

determinante para obtener el producto deseado.

Una vez ensamblado el Chasis se recomienda darle un acabado con una pulidora, y

aplicar un recubrimiento para proteger a la estructura de la corrosión y oxidación.

56

Conclusiones

El chasis de Motocicleta Propuesto, con titanio como material con el objetivo de

tener una estructura más ligera, ha cumplido satisfactoriamente con las cargas

estáticas aplicadas en el análisis estructural teniendo un factor de carga de 5.66

comparado con el esfuerzo de ruptura del material, sin embargo al obtener el esfuerzo

máximo en la zona de unión se tendría que realizar un nuevo análisis tomando en

cuenta las propiedades de la soldadura y una reducción de propiedades del material

por efecto de la soldadura.

Del análisis modal se puede concluir que la estructura con titanio como material es lo

suficientemente rígida para evitar posibles interferencias con las vibraciones causadas

por el motor.

En conclusión podemos se puede decir que el Chasis propuesto con una aleación de

Titanio como material es más eficiente estructuralmente que el mismo tipo de Chasis

hecho de Acero, ya que mientras el primero tiene un peso de 17.68 kg, el segundo

pesa 31.44 kg, considerando que el chasis tiene un volumen de 0.004 m^3. Así mismo

el chasis propuesto cumple satisfactoriamente la prueba de rigidez.

Aunque el chasis propuesto haya pasado satisfactoriamente la prueba de rigidez y

se haya obtenido un factor de carga favorable en el análisis estático, los peores

esfuerzos en una estructura de este tipo son debidos a cargas dinámicas por lo cual

queda para futuros trabajos, realizar análisis dinámicos para el chasis y comprobar si

cumple estructuralmente.

La Hipótesis se cumple parcialmente, ya que son necesarios los análisis de cargas

dinámicas.

57

Referencias

1 Asier Larrauri García (2012). DISEÑO Y ESTUDIO DE MODIFICACIÓN DE

CHASIS Y BASCULANTE DE UNA MOTOCICLETA. Pamplona, Universidad

Pública de Navarra, Escuela Técnica Superior De Ingenieros Industriales y de

Telecomunicación.

2 M. Arias-Paz Guitan (2003). Motocicletas (32ª ed.). Madrid, España.

3 Tony Faole (2002). MOTORCYCLE HANDLING AND CHASSIS DESIGN the art

and science. España.

4 Patxi Vergara Culebras. (2011). MODELADO, ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE UN

CHASIS DE MOTOCICLETA. UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

MECÁNICA. Madrid, España.

5 Oxford University Press. Oxford Advanced Learner’s Dictionary (5a Ed.). (2004).

6 http://www.plm.automation.siemens.com/es_mx/plm/cad.shtml

Fecha de consulta: 2013-Octubre-05

7 http://www.plm.automation.siemens.com/es_mx/plm/cae.shtml


8 http://www.plm.automation.siemens.com/es_mx/plm/fea.shtml


9 http://www.ruukki.com/~/media/Files/Steel-products/Tubular-products-and-cold-

formed-steel-sections-data-sheets/Ruukki-Hollow%20sections-dimensions-cross-

sectional-properties.pdf (Fecha de consulta: 2013-Octubre-05)

http://www.plm.automation.siemens.com/es_mx/plm/cad.shtml

http://www.plm.automation.siemens.com/es_mx/plm/cae.shtml


http://www.ruukki.com/~/media/Files/Steel-products/Tubular-products-and-cold-formed-steel-sections-data-sheets/Ruukki-Hollow%20sections-dimensions-cross-sectional-properties.pdf



58

10 http://www.ketchum.org/BMWEnginePix/


11 http://www.maxbmwmotorcycles.com/fiche/DiagramsMain.aspx?vid=51664


12 http://www-cdr.stanford.edu/~petrie/bmw/R80ST/engines.html


13 http://www.bmbikes.co.uk/PDF%20Downloads/R100RSSpec.pdf


14 http://www.aerospacemetals.com/titanium-ti-6al-4v-ams-4911.html


15 http://motors-bay.com/werner/262-werner-1901.html


Apéndice I

Dibujo del Chasis para Motocicleta Deportiva Propuesto

http://www.ketchum.org/BMWEnginePix/

http://www.maxbmwmotorcycles.com/fiche/DiagramsMain.aspx?vid=51664

http://www.maxbmwmotorcycles.com/fiche/DiagramsMain.aspx?vid=51664

http://www-cdr.stanford.edu/~petrie/bmw/R80ST/engines.html

http://www.bmbikes.co.uk/PDF%20Downloads/R100RSSpec.pdf

http://www.bmbikes.co.uk/PDF%20Downloads/R100RSSpec.pdf

http://www.aerospacemetals.com/titanium-ti-6al-4v-ams-4911.html

modelado y anÁlisis del chasis de una motocicleta 2013.pdf · las de una motocicleta de turismo;...

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