Revista Supraingenieria Año 2014. N° 1

ISSN 2344-8012 Depósito Legal:ppi200002LA3953 Revista Científica de la Facultad de Ingeniería

Computación

Mantenimiento Mecánico

Eléctrica

Conocimiento al alcance de la Ingeniería

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Supraingeniería Num 3 Volumen I Año 2014

Telecomunicaciones

CONTENIDO Editorial Diseño y construcción de un prototipo de chasis tipo fórmula SAE-UFT Sistema de dirección para la construcción de un vehículo tipo monoplaza, respetando las normas del fórmula sae internacional en el grupo fsae uft Diseño del sistema de monitoreo para el recorrido en la pista del vehículo de la formula sae-uft Sistema de telemetría para la evaluación del estado de las principales variables del motor de combustión del monoplaza del equipo fsae uft, utilizando la tecnología de radiofrecuencias Diseño de un sistema de transmisión de datos usando módulos xtend 900 de 1w para vehículo formula sae-uft Diseño de un sistema de transmisión de potencia a través de cadena para un prototipo de vehículo monoplaza del equipo de formula SAE de la Universidad Fermín Toro Diseño y construcción de un sistema de suspensión tipo push rod para el prototipo de vehículo monoplaza 2014 del equipo fórmula SAE de la Universidad Fermín Toro

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Autoridades Universitarias

Dr. Jorge Benítez Rector Dr. Pedro Briceño Vicerrector Académico MSc. Rafael Rubio Vicerrector Administrativo Lcda. Vanessa Quero Secretaria General

Revista Científica de la Universidad Fermín Toro Correo: supraingenieriauft@gmail.com URL: http://www.uft.edu.ve/ingenieria/

La Revista Electrónica Supraingeniería de la Universidad Fermín Toro nace en forma impresa en Noviembre del 2000 y se convierte en Revista Electrónica el 09 de Noviembre de 2011, se publica semestralmente.

Es un medio multidisciplinario e interdisciplinario de difusión de la investigación en las áreas de la ingeniería, dirigida a profesionales y estudiantes.

Supraingeniería, nacida en el seno de los estudiantes y docentes de ingeniería, tiene como fin brindar un medio de difusión de la creatividad, innovación y conservación del ambiente.

Año: 2014 Enero – Julio Barquisimeto – Estado Lara Volumen I. No. 3 Periodicidad Semestral MSc. Rebeca Rivas Ventura Editora en Jefe Diseño y Maquetación MSc. Rosa Ortiz Redacción y Estilo

Calle Principal, Local Comercial Chucho Briceño, S/N, sector Cabudare, estado Lara. Venezuela.

Teléfonos: +58 0251-7100137 / +58 0251-7100163

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Editorial

Rebeca Rivas Editora de Supraingeniería Formula SAE® es una competencia de diseño estudiantil organizada por SAE International (formerly Society of Automotive Engineers). En 1979 comienza como competencia de “Mini Baja” en la Universidad de Huston y se crea una variante llamada “Mini Indy” que consistía en construir un vehículo monoplaza tipo indy o formula en el que no se tenían tantas restricciones como en el “Baja” ya que se permitía modificar los motores, y los diferentes elementos que componían al vehículo creándose así la competencia Formula SAE en 1980; en esta competencia se buscaba que los estudiantes utilizaran su ingenio para crear cada componente del vehículo ya que en “Baja” solo se optimizaba el diseño de un chasis, sin embargo se restringió un poco a solo motores de 4 tiempos con una cilindrada máxima de 600cc por razones de seguridad.

El concepto de Formula SAE es que una compañía de manufactura ficticia ha contratado un equipo de diseñadores para desarrollar un vehículo de carreras tipo Formula. El prototipo del vehículo será evaluado por su potencial como ítem de producción. El objetivo también es hacerlo competir en un circuito de pruebas y cada equipo de estudiantes que construye y prueba un prototipo basado en una serie de reglas debe promover la resolución de problemas de diseño mediante esta iniciativa.

Formula SAE promueve la excelencia en las carreras universitarias y en la ingeniería en conjunto con todos los aspectos de la industria automotriz incluyendo la investigación, diseño, manufactura, prueba, desarrollo, mercadeo y gerencia organizacional. Formula SAE toma estudiantes y los lleva afuera de las aulas de clases y los incentiva a usar todas las teorías aprendidas en los libros para experiencias de trabajo reales.

Hoy en día la competencia se ha expandido e incluye un gran número de eventos, solo en Estados Unidos se realizan dos eventos localizados en California y en Michigan, siendo este último el más reconocido a nivel mundial, aparte de estos existen otras locaciones para la competencia que a continuación se mencionan: Formula SAE Brasil, Formula SAE Australasia, Formula SAE Italia, Formula Student Inglaterra (UK), Formula Student Alemania, Formula SAE Japón.

En 2006 se crea también una variación de la competencia en la que se utiliza el mismo prototipo de Formula SAE pero hibrido, funcionando en parte con gasolina y en parte con motores eléctricos. Cabe destacar que el vehículo es calificado por varios jueces como GM, Ford, Honda, Goodyear, Ducati, entre otros.

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Motivados a participar en esta iniciativa, un grupo de estudiantes de la Universidad Fermin Toro deciden organizarse y formar un Grupo de Investigación Formal y Presentarlo ante los Rectores de la Universidad para luego ser formalizado a finales del 2012.

El Grupo de Investigación Fórmula SAE UFT, está conformado por estudiantes de las distintas carreras de la UFT, entre ellas Ing. en Mantenimiento Mecánico, Ing. en Telecomunicaciones.

Comunicación Social, entre otras. Dicho grupo, busca la preparación completa, organizada y experimental de profesionales competitivos, que en un futuro cuenten con la experticia para poder solucionar problemas tanto en el campo laboral como en la vida cotidiana creando un desarrollo personal que contribuya progreso del país no solo en el área automotriz, sino a nivel organizacional, a nivel gerencial y comunicacional, ésto a través de la organización de estudiantes para desarrollar el diseño y posterior construcción de un vehículo Formula SAE para luego competir a nivel internacional.

Es por ello que expresamos que: “Nosotros buscamos que el prototipo diseñado sea un carro de pista bajo la categoría de Formula de la organización SAE; actualmente nos encontramos en la etapa de diseño y estudio de factibilidad económica del primer prototipo para la posterior construcción del mismo y lograr llevarlo a competir en Michigan en Mayo del 2014.

Como primer paso organizacional se estableció una misión que a continuación se expresa: Innovar en el diseño y construcción de vehículos Formula SAE y participar cada año formando profesionales integrales altamente competitivos.

El grupo de Formula SAE de la Universidad Fermín Toro tiene como visión posicionar nuestro equipo, nuestra institución y nuestro país en los niveles más altos de cada competencia de Formula SAE, desarrollando mediante el ingenio las herramientas necesarias tanto para el estudio, diseño y construcción de cada vehículo contribuyendo con la formación profesional e integral de los estudiantes pertenecientes a éste equipo, fomentando la constancia y responsabilidad para que en un futuro posean todas las herramientas para ser los más competitivos.

Dentro de los objetivos se plantea la utilización de los conocimientos adquiridos en nuestra universidad para diseñar y construir un vehículo monoplaza bajo los niveles establecidos por la categoría Formula SAE, con la finalidad de llevar el nombre de la Universidad Fermín Toro por primera vez a la competencia Formula SAE International realizada en Michigan (Estados Unidos), junto con los patrocinantes que representaremos y dejar el nombre de nuestra región, país y nuestra institución entre los primeros lugares de la competencia, además de dar continuidad al proyecto de investigación para seguir desarrollando prototipos de esta categoría y poder aportar conocimientos de diseño automotriz, organización a nivel estratégico-gerencial tanto a los estudiantes de esta universidad como al Estado Lara y Venezuela.

Una vez establecida la meta, se conformaron grupos de trabajo cada uno con la tarea de realizar investigaciones en un área especifica, tal es el caso de el departamento de Frenos, Chasis, Suspensión, Dirección, Electrónica, Motor y Transmisión. Estos departamentos formados por al menos 5 personas cada

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uno se han encargado no solo de investigar, sino también de estudiar, diseñar y generar propuestas cada uno que contribuyan al desarrollo del vehículo. Por otra parte fueron integrados otros departamentos dirigidos por estudiantes de carreras como Comunicación Social que tienen como objetivo dar a conocer este proyecto a lo largo de toda la región utilizando estrategias como promoción en redes sociales, en eventos organizados. Además de estos grupos de trabajo, el grupo también se encargo de establecer una relación de trabajo con el decanato de ingeniería de dicha universidad, y también con la dirección de escuela como representantes legales del proyecto. Todo esto es posible con ayuda de profesores de la misma universidad que forman parte del grupo de asesores tanto de diseño, construcción, comunicación y organización del grupo.

El Proyecto desarrollado por el Grupo de Investigación Formula SAE UFT busca también establecer relación con instituciones y empresas Nacionales e Internacionales, para crear convenios en los que se les brinde a estas la oportunidad de participar en el desarrollo y construcción del prototipo Formula SAE de la Universidad Fermín Toro, el cual se planea promover a nivel Nacional e Internacional como uno de los mejores y hacerlo competir entre más de 160 universidades a nivel mundial que participan en la competencia. Sabiendo que en Venezuela existe la Ley Orgánica de Ciencia, Tecnología e Innovación (LOCTI), el proyecto Formula SAE-UFT queda catalogado como proyecto de Formación de Talento Humano, y sus aportes podrán ser considerados como cumplimiento de la misma.

Dentro de cada uno de los departamentos de trabajo se creó una propuesta cuyas conclusiones se muestran a continuación: La Suspensión es un sistema conformado por elementos elásticos que se interponen entre el suelo y las ruedas, entre las ruedas y la carrocería, manteniendo “suspendido” el peso del vehículo, siendo a su vez la que absorbe los esfuerzos laterales generados en curvas cuando el carro esta en movimiento; dentro de los tipos de suspensión encontradas existen de tipo ballestas, mc pherson, wishbone, o como la que se piensa usar para el prototipo FormulaSAE, suspensión tipo “Push Rod” o varilla de empuje en español. Esta suspensión se compone de cuatro (4) espirales de aleación de acero que soportan las cargas laterales en conjunto con los amortiguadores que absorben las vibraciones de la carretera.

En cuanto a chasis, sabiendo que es la estructura o armazón que le otorga rigidez al carro y protección al piloto, debe ser capaz de resistir impactos frontales y laterales, además de soportar los esfuerzos tanto del motor, de la suspensión, del peso del piloto y demás. Esta estructura bien sea tipo monocasco (hecho de fibra de carbono estructural) o tubular, se determino que el acero adecuado para su elaboración es un acero estructural AISI 1020, pero también el diseño resulta más eficiente con la utilización de una aleación especial llamada “cromomolio” que es un acero aleado con cromo y molibdeno, que otorga la rigidez suficiente para soportar las cargas y resulta una aleación liviana, lo cual en un vehículo de carreras es importante.

Con respecto a la transmisión, que transmite la potencia del motor a las ruedas, se pudo determinar que sus cálculos van en función del motor, en este caso uno impuesto por la norma de restricciones de diseño para Formula SAE (http://students.sae.org/competitions/formulaseries/) con un límite de cilindrada de 600 centímetros cúbicos. La transmisión diseñada consta de un sistema de piñón y corona dentada que

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impulsan un diferencial tipo Torsen que elimina las inaceptables diferencias de torque en las ruedas generadas al momento de una curva a alta velocidad, ya que sino el carro tendría una tendencia a volcarse.

El sistema de dirección es el que permite girar las ruedas delanteras a un ángulo determinado para tomar las curvas y debido a los esfuerzos generados en una curva a alta velocidad, una dirección tipo hidráulica no es conveniente ya que puede no soportar la carga, por eso fue diseñada una dirección mecánica por medio de un piñón dentado y una cremallera de dientes.

En cuanto al sistema de frenos, que es el encargado de reducir la velocidad del vehículo, la norma prohíbe la activación de frenos por guayas, por lo que deben ser usadas pequeñas bombas hidráulicas que activan unas mordazas que aprietan un disco metálico que gira en conjunto con las ruedas. Dichos discos de freno deben ser capaces de soportar temperaturas de hasta 600 grados centígrados equivalentes a frenar el vehículo desde una velocidad cercana a 100km/h a 0 en un espacio menor a 15 metros y enfriarse lo suficientemente rápido. Cabe destacar que los cauchos a utilizar son de tipo slick impuestos por la norma de restricciones para Formula SAE. Se determinó que la aerodinámica o flujo de aire alrededor del vehículo no es muy importante para crear el llamado efecto suelo debido a que los circuitos preparados para este tipo de autos son muy cortas y de muchas curvas, donde no “hay espacio” para desarrollar mucha velocidad, por eso la aerodinámica juega un papel más bien para enfriar los componentes. Por eso se determinó también que la carrocería debe ser lo más liviana posible, entrando entre las posibilidades el manejo de la fibra de carbono que posee la resistencia necesaria y el peso adecuado debido a su baja densidad.

Por último dentro de la parte electrónica desarrollada para el vehículo, se encuentran una serie de sensores que miden valores de presión en los neumáticos, temperatura de los mismos, torque del motor, deformación en la suspensión, además de crear un lazo de comunicación del piloto con el equipo mientras este maneja el carro.

Rebeca Rivas Ventura Decano de la Facultad de Ingeniería de la UFT Formula SAE Universidad Fermin Toro @FormulaSAEUFT Formulasaeuft@gmail.com fsaeuft@hotmail.com Laboratorio de Procesos de Fabricación. Universidad Fermín Toro. Av General Patiño, Cabudare, Municipio Palavecino Edo. Lara. Venezuela.

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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE CHASIS TIPO FÓRMULA SAE, PARA LA UNIVERSIDAD FERMÍN TORO Autor: Ing. Galaor Buoli Ingeniería de Mantenimiento Mecánico fsaeuft@hotmail.com

Año: 2013

RESUMEN La finalidad de esta investigación es la de diseñar y construir un chasis tipo formula SAE, para la Universidad Fermín Toro el mismo se encuentra enfocado en la modalidad de proyecto de ingenio debido a que aporta la solución al problema del Grupo de Investigación de Formula SAE UFT en la construcción de un chasis para la competencia. Está apoyada en el Eje Rector: Hombre, Ciudad y Territorio. La línea de investigación es “Diseño rediseño y optimización de sistemas productivos, máquinas, equipos y dispositivos que fomentan nuevas tecnologías, siguiendo las políticas de investigación de la Universidad Fermín Toro”. Las herramientas que se utilizaron para llevar a cabo este trabajo fueron las siguientes: la recolección de datos a través de las técnicas de observación directa, entrevista no estructurada y revisión bibliográfica. La investigación consta la conforma la introducción, justificación, descripción del producto, procedimientos utilizados para la producción y por último la modelización. Descriptores: prototipo de Chasis, Diseño

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INTRODUCCIÒN El diseño automotriz ha evolucionado de una manera exorbitante en los últimos años, donde hoy en día existen una diversidad de marcas y empresas que diseñan y fabrican automóviles para uso común, carga, transporte, finalidad militar y también un estilo muy particular de vehículos que engloban un género de deporte, como es el caso de los diferentes eventos o Fórmulas, las cuales buscan poner a prueba los diferentes diseños de autos y que estos cumplan los requerimientos pedidos en los circuitos establecidos. Estas exigencia ponen a prueba los componentes mecánicos, estructurales y dinámicos del vehículo y para ello usan una serie de cálculos basados en metodologías y teorías planteadas por diseño de elementos de máquina ya que los componentes y estructura de un vehículo tiene que soportar una variedad de cargas y esfuerzo, los cuales hay que calcular para poder elegir la mejor estrategia de diseño.

Entre estos eventos o competencia se encuentra la Fórmula S.A.E (Society Automotive Engineering, por su siglas en inglés) la cual se basa en el diseño y construcción de un carro monoplaza tipo Fórmula, donde este está sujeto a cumplir ciertos requisitos de una serie de normas con las cuales se llevara a cabo el diseño y construcción del prototipo y cada uno de sus componentes, donde la verificación por un jurado determinara su posterior aprobación para poder competir. Tales normas como la Sociedad Americana de soldadura (AWS), Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM) y la más importante de las normas y la cual regirá los estándares de diseño del monoplaza, es la norma S.A.E, ya que esta explica los requerimientos de cada uno de los Fórmulas, como son: el diseño del bólido, sistema de suspensión, chasis, protección del piloto a colisiones, performance, y otras características con las que deben de cumplir los monoplazas concursantes, cabe destacar que este evento es netamente universitario. La Universidad Fermín Toro (U.F.T) actualmente formo un grupo de investigación con el fin de construir un prototipo de Fórmula SAE, para unirse a esta competencia, con la ayuda de la iniciativa de los mismos estudiantes, tutoriados por docentes capacitados y apoyados por la misma institución. en busca de diferentes propuestas surge la idea de realizar la presente investigación, la cual está destinada a elaborar el diseño y construcción de un chasis, siendo este el elemento más importante del prototipo, ya que es el esqueleto del auto donde los demás componentes se acoplan. Para dar por concluido lo expuesto anterior se puede decir: que el impacto de la presente investigación radica en la necesidad que tiene el grupo de innovar un chasis que sea: moderno, liviano, que cumpla con todos los requerimientos de cálculos de diseño y que se acople a las normas de Fórmula SAE. JUSTIFICACIÓN En la actualidad, a nivel mundial las universidades buscan una forma de competir unas con otras para demostrar las habilidades que poseen los estudiantes que están siendo formados académicamente bajo su casa de estudio, por ello existen competencias como la Fórmula SAE, que coloca como objetivo desarrollar y construir un prototipo de automóvil el cual está sujeto a normas

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establecidas por dicha competencia y posteriormente competir en varias pruebas para verificar que prototipo es más eficiente en pista. Esta casa de estudio está iniciando el proyecto Fórmula SAE UFT, en el cual la universidad está decidida en ser parte de esta maravillosa competencia, por ello surge la importancia de crear varias propuestas de los diferentes componentes del vehículo y así nace la idea de diseñar y construir el chasis del monoplaza, ya que este es el elemento primordial del prototipo. El chasis se asemeja al esqueleto del auto y es el que soporta todos los pesos y cargas generadas por el auto y además de ser la protección del piloto si ocurre algún choque, por ello su diseño tiene que ser meticuloso.

Se quiere innovar un chasis que cumpla con las restricciones establecidas por la norma SAE, pero que sea innovador, liviano y que soporte todas las cargas ejercidas en pista. Para ello se usarán software especializados en diseño de ingeniería ya que son una herramienta poderosa en donde no hay que construir un prototipo para verificar si este soporta los esfuerzos calculados sino que se simulan en el software elegido y este arroja todos los datos necesarios para saber si hay que modificar las dimensiones o si el diseño del chasis realizado es óptimo. La realización de este proyecto es el primer paso para construir el primer monoplaza de la universidad Fermín Toro para así llevar nuestra casa de estudio a los niveles más altos de competencias interuniversitarias del mundo.

El Chasis en la Competencia Fórmula SAE

En las competiciones de Fórmula SAE, se encuentran diversos tipos de chasis. Las universidades que disponen de un presupuesto alto y que cuentan con una experiencia de varios años en competición optan en algunos casos por el monocasco de fibra de carbono. De todos modos, este tipo de chasis tiene una participación minoritaria en los monoplazas de esta competición. Los equipos que tienen los recursos económicos y técnicos necesarios para fabricar este tipo de chasis tienen la ventaja de obtener una estructura muy resistente y con un comportamiento excelente en pista, ya que este tipo de estructuras ofrecen gran resistencia a torsión y su peso es menor que el de las estructuras de acero. Por otro lado las estructuras más comunes en la Fórmula SAE son las tubulares de acero (Figura 3) este tipo de estructuras ofrecen una buena respuesta a los esfuerzos aunque su principal inconveniente es el aumento del peso respecto a los anteriores con la ventaja de un coste mucho más reducido. En donde los espesores de tubo de algunas partes de la estructura vienen especificados por la normativa SAE, así como la geometría de las protecciones del piloto.

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Fuente: García. A (2012) Figura 1 Chasis Tubular de Fsae

Dentro de las estructuras de acero tubulares, la mayoría de ellas son soldadas aunque existe la posibilidad de optar por uniones atornilladas en ciertas partes del chasis, pero normalmente los equipos no utilizan este tipo de uniones. Otra posibilidad a tener en cuenta es la opción de incluir partes de aluminio en el chasis con la ventaja de la reducción de peso que esto supone, aunque con los inconvenientes de incurrir en otro coste al incluir un nuevo material tanto en los costes como en el diseño. Aunque la mayoría de los grupos se dedican al estudio de un chasis tubular en cuanto a la disposición y geometría de materiales, hay algunos equipos que han ido más allá utilizando tubos de secciones variadas tales como, cuadradas, circulares y en algunos casos chapas enfrentadas rellenas de ciertos materiales para conseguir siempre el mismo objetivo, mayor rigidez a torsión con el menor peso y coste posible. De esta forma se adquiere una idea general de hacía qué punto se enfocan los estudios de chasis en la Fórmula SAE y las posibilidades que se barajan en esta competición.

Restricciones que Afectan al Chasis en la Fórmula SAE Como en toda competición, en la Fórmula SAE existen una serie de especificaciones que vienen dadas por parte de la organización para brindar a los participantes una guía básica de cómo deben de diseñar ciertos aspectos del fórmula para hacerlo seguro. También hay cargas que derivan de las diferentes pruebas a las que el vehículo va a ser sometido, y que deben de tenerse en cuenta a la hora de abordar el problema de diseño del chasis. Estas cargas serán transmitidas al chasis por medio de los apoyos en los que se fijan las distintas partes que forman el automóvil.

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Técnica Utilizada A continuación se describirá la metodología usada para conseguir los datos bases para el desarrollo del diseño del chasis, donde se puntualizara los métodos usados.

Recopilación de Información Para el desarrollo de la investigación se utilizó un tipo de recopilación de información que se basó en una investigación de tipo documental y de campo con la finalidad de captar una selección de diseños de otros chasis elaborados por otras universidades de todo el mundo esto con el fin de estudiar el diseño y compararlos unos con otros para establecer ciertas diferencias que ayuden establecer que tanto la norma de la organización FSAE estandariza el diseño del chasis. Otro tipo de técnica usada fue la entrevista no estructurada a otros equipos de FSAE en Venezuela, como es el caso de FSAE UCV, donde se le realizó una entrevista al vicepresidente del equipo Javier Hernández. Como resultado se llegó a ciertas conclusiones sobre el diseño y los parámetros que se deben de cumplir para que la organización FSAE acepte el diseño del chasis del equipo FSAE UFT.

Componentes Usados para el Diseño del Chasis En este punto se establecerá una descripción de los aspectos técnicos de los elementos usados para el diseño del chasis. Para este proceso se usó el software Solidworks.

Utilización de Soilidworks El software solidworks es una herramienta muy versátil a la hora de diseñar, ya que con unos simples pasos uno puede tener un diseño final y realizar modificación si se ameritan. Para el diseño del chasis se pueden plantear tres etapas.

Croquis del Chasis Después de estudiar varios modelos de chasis, se prosiguió a la esquematización del chasis final en el software, para ello primero se establece un croquis del chasis en 3D en el software. Como referencia lo primero que se hace estrazar una distancia entre ejes representativa esto para tener una guía y una perspectiva de las diferentes mediadas de los componentes del chasis, ya que cuando se esté realizando el croquis de las diferentes partes que conforman el chasis hay que tener en cuenta esta distancias ya que esa posición es donde se colocaran los soportes para las tijeras de los cauchos además de la dirección mecánica que se va emplear en el monoplaza. Esta distancia inicial entre ejes puede estar sometida a cambió a medida que se va diseñando el chasis.

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Fuente: Buoli. G (2013) Figura 2 Croquis de la distancia entre ejes Posteriormente se prosigue a coquizar cada parte del chasis por separado, a continuación se establecen por orden la coquización del chasis. a) Piso delantero b) amparo c) Arco frontal d) Soportes del Mamparo e) Tirantes del arco frontal f) Piso del Piloto g) Arco Principal h) Croquis de la figura del piloto i) Protección Lateral j) Piso del motor k) Soportes de los tirantes del arco Principal l) Tirantes del arco principal m) Triangulación del piso y del mamparo

Fuente: Buoli. G (2013) Figura 3 Croquis completo del chasis Creación de los Perfiles Tubulares del Chasis Esta etapa es donde se establecen los perfiles de los tubos con que se realizara el chasis donde las medidas mínimas se establecieron en la tabla 1. Solidworks mediante un herramientas llamada miembro estructural permite crear los perfiles de los tubos, donde estos se crean siguiendo la dirección de las líneas hechas en el croquis final del chasis, así creando la estructura final del esqueleto tubular. A continuación se mostrara por medio de dos figuras como se evoluciona en el armado de chasis.

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Fuente: Buoli. G (2013) Figura 4 Creación de los perfiles Tubulares

Esta figura 4 se visualiza como se van formando los perfiles tubulares, donde se puede apreciar los tubos ya formados y las líneas a las cuales todavía no se ha colocado el perfil establecido.

Fuente: Buoli. G (2013) Figura 5 Chasis con todos los perfiles completad Modelización del Chasis La etapa de modelización es donde el chasis se expone a las diferentes simulaciones para comprobar que este aguanta los esfuerzos en la competencia, acá se comprueban que las dimensiones de los perfiles elegidos son los adecuados, donde se basa más en ensayo y error para probar diferentes perfiles y comprobar y comparar los esfuerzos, en el siguiente punto de este proyecto se profundizara esta etapa

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53 donde se describirá detalladamente las pruebas que se le hicieron al chasis para asegurar que este cumple con los mínimos requisitos en cuestiones de resistencia.

Modelización del chasis Este espacio se refiere a todas los ensayos técnicos a las que el producto es sometido para demostrar que es confiable. Se describirán cada una de las pruebas que se simularon en el chasis y los resultados que este arrojo. Estas pruebas fueron un choque frontal, la simulación de vuelque del carro y por último el ensayo más importante que se efectuara es el de torsión.

Características del Chasis Antes de comenzar cualquier simulación se definirán ciertas características del chasis como son las medidas finales de los perfiles seleccionados y el material seleccionado para su fabricación. En la siguiente tabla se proporcionaran las medidas de los perfiles y el acero.

Cuadro 1 Perfiles de los tubos seleccionados Diámetro x Espesor TEMA o APLICACION DIAMETRO X TIPO DE ACERO ESPESOR DE PARED Arcos principal y frontal, Soportes del arnés de hombre Estructura de impactos laterales, mampara frontal, tirantes de los arcos, sujeción de arnés de restricción del piloto Soportes del mamparo frontal, Brazos del arco principal, Componentes del sistema de tracción

Diámetro 1” (24.5mm) por 0.095 inch (2.4 mm) Diámetro 25.4 mm x 1.60 mm

AISI 1020

Diámetro: 1.0 inch (25.4 mm) x 0.049 inch (1.25 mm)

AISI 1020

AISI 1020

Fuente: Galaor B (2013)

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Modelización de la Parte Frontal del Chasis Descripción del Ensayo Este ensayo simula un choque del monoplaza frontalmente y esta normalizado por la norma FSAE en la página 38 de dicha normativa, en particular se efectúa para la simulación del atuenador de impacto el cual es un componente que permite la absorción de la energía de choque si llegara a ocurrir una colisión frontal, por ello se simulara con estos parámetros ya que proporcionan la condición más crítica para este ensayo, donde se observaran los desplazamientos máximos de la parte frontal del chasis. Antes de realizar la simulación hay que calcular la fuerza de impacto según los datos que nos proporciona la norma los cuales son: a) Velocidad de impacto (Vimp)= 7,0m/s b) Masa del vehículo(M)= 300Kg c) Desaceleración de (a)= 20G Simulacion del Choque Frontal Antes de comenzar con la simulación debemos trazar un parámetro de desplazamiento de referencia, esto para tener ya previsto el límite máximo de deformación del chasis que puede alcanzar.

Este parámetro será la distancia que hay desde el mamparo hasta los pies del piloto como se aprecia en la figura siguiente.

Fuente: Buoli. G (2013) Figura 6 Distancia Máxima de Deformación Los 198,32 mm será el patrón de referencia del desplazamiento máximo que se puede deformar la parte frontal del chasis. Ya teniendo todo los parámetros previstos se prosigue a comenzar el proceso de simulación.

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Parámetros de la Simulación de la Parte Frontal A continuación se procederá a los parámetros que el software requiere para simular el choque. Ya calculada la carga esta se aplicara a la parte frontal del chasis donde se distribuirá por toda su área.

Ahora el proceso de simulación consiste de la en seguir una serie de pasos que se mencionan a continuación: a) Se fijan los puntos hasta donde se quiere realizar el ensayo, en este caso se hace fijo hasta la parte de atrás de la cabina b) Se aplica la carga en la parte frontal del chasis c) Se prosigue al mallado del chasis y a la simulación de las cargas

Carga de 58333 New

Sujeciones Fijas

Fuente: Buoli. G (2013) Figura 7 Aplicación de sujeciones y cargas

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Fuente: Buoli. G (2013) Figura 8 Chasis ya Simulado En la Figura 8 se aprecia una vista lateral del modelo después de la simulación, donde se obtuvo desplazamientos unitario ( URES) 46, 162 mm en la parte frontal, en el cual el resultado fue satisfactorio ya que el desplazamiento obtenido es aproximadamente el 25 por ciento de la distancia total de la parte frontal hasta donde deberían ir los pies del piloto.

Modelización del Vuelque del Monoplaza

Descripción del Ensayo Para este ensayo se va a suponer que el carro por circunstancias dadas haya quedado boca abajo, donde todo el peso del carro lo soportaría el arco principal y el arco frontal, se tomara como masa del carro los 300 Kg que establece la norma ya que estees el peso máximo promediado en un Vehículo de FSAE, se calculara el peso y se distribuirá equitativa mente entre el arco principal y el arco frontal.

Dónde: P= Peso del Vehículo en Newton M= Masa del vehículo en Kilogramos El peso total de carro serán 2940 Newton los cuales al dividirse entre dos nos queda que la carga aplicada al arco principal y al arco frontal serán de 1470 Newton a cada uno.

Simulación del Ensayo de Vuelco Igualmente que en la simulación del choque frontal antes que nada se define el desplazamiento máximo que pueden sufrir los arcos, siendo el arco principal el mas critico ya que este es el que protege

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el piloto del piso en caso del volteo, en la figura siguiente se muestra el boceto del piloto dentro del chasis.

Fuente: Buoli. G (2013) Figura 9 Distancia Máxima de Desplazamiento de los Arco Ya determinada la distancia máxima (50,85mm) de deformación que puede sufrir los arcos para que la cabeza con el casco del piloto no colisione contra el piso se puede proseguir a la realización del ensayo Parámetros de la Simulación del volteo del chasis Para el ensayo del vuelque se proseguirá colocando la sujeciones fijas en la parte trasera y en la delantera por debajo, la cargas se colocan en los dos arcos como se muestra en la siguiente figura luego se prosigue a efectuar la simulación.

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Fuente: Buoli. G (2013) Figura 10 Resultados de la Simulación de los Arcos En la figura 11 se aprecia la deformación unitaria que sufrió el arco principal, donde la deformación máxima obtenida fue de 3,9757mm un aproximado a 4mm de deformación.

Proceso de fabricación Para la fabricación del chasis se lleva a cabo una serie de procesos como es el corte y la preparación de los tubos, la selección de la soldadura, el cálculo del espesor de esta y proceso de soldadura. Dependiendo de la calidad de estos procesos la fabricación del chasis o puede ser muy sencilla o se podría complicar. Por ello se presentan los métodos usados para que futuras generaciones lo sigan y lo mejoren.

Método de Corte y Preparación de los Tubos Corte de los Tubos Para el corte de los tubos se usó una tronzadora con disco de corte de 14” por ser más económico, en este proceso hay que tener cuidado al cortar los tubos ya que hay que medir bien la distancia del corte y dejar un rango de separación más largo por el material que se pierde, este rango puede ser el espesor del disco de corte que se usa al cortar los tubos. En la figura 11 se aprecia el método de corte usado.

Fuete: Buoli. G Figura 11 Corte con Tronzadora Preparación de los Tubos Después de efectuar los cortes correspondientes se deben preparar los perfiles de los tubos para empatarlos y aplicar la soldadura, la preparación de los perfiles varía según la colocación del tubo.

Si se quiere colocar un tubo que este perpendicular respecto a otro es decir que se forme un ángulo de 90º entre ellos, el corte de los perfiles tienen que ser a 45º, otro tipo de preparación que se la hacen a los

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perfiles es mediante una piedra de esmeril u otra técnica, la cual le da la forma convexa al perfil para que este empalme apropiadamente en la paredes de los demás tubos.

Fuente: Buoli. G Figura 12 Preparación de los Perfiles Método de Soldadura Selección del Tipo de Soldadura Antes de hacer cualquier cálculo lo primero que hay seleccionar es el tipo de soldadura con el cual se va a trabajar, esta selección varía según la disponibilidad de maquinarias y por el tipo de material que se desea soldar. Actualmente existen una variedad de técnicas y equipos para soldar. En el caso de la construcción de este diseño, como se posee la disponibilidad de equipos de soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido y además de que el material que se usara es AISI 1020 el cual no presenta ningún inconveniente al soldarlo con este tipo de técnica.

Calculo del Espesor de la Soldadura Para calcular el espesor de la soldadura se comienza seleccionando el tipo de electrodo a usar, en este caso se selecciona verificando las tensiones y esfuerzos máximos del ensayo de torsión que se le efectuó al chasis, y partiendo de esos esfuerzos se selecciona un electrodo que su resistencia a la tracción este por encima. Los esfuerzos máximos obtenido el ensayo de torsión son de 230,6 Mpa si comparamos esta medida con la figura siguiente, la cual contiene una tabla con una variedad de electrodos con una serie de características y entre esas características está la resistencia a la tracción, solo se fija en este valor ya que es por cual se seleccionará el electrodo a usar, al analizar la tabla que aparece en la figura se puede apreciar que la serie E60xx cumple con la resistencia adecuada para soldar el diseño ya que tiene una resistencia a la tracción de 427Mpa. Ya seleccionado el tipo de electrodo se prosigue a seleccionar el amperaje el cual depende del diámetro del electrodo. El diámetro a usar es de 3/32” y este trabaja con un amperaje de 70 a 90. Ya teniendo todos los parámetros establecidos se prosigue al cálculo de la garganta y del espesor de la

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soldadura. Para comenzar el cálculo hay que definir a qué tipo de soldadura va hacer si a tope o a filete, en caso del diseño del chasis todas las soldaduras serán a filete, en donde el ancho de la soldadura siempre va hacer 0,707 por la altura de la garganta.

Conclusiones 1. La obtención del modelo final se basa de un análisis de campo metodológico del diseño de otros chasis de diferentes equipos y un estudio del reglamento impuesto por la norma FSAE, se podría decir que el chasis básicamente esta estandarizado pero con un cierto grado de modificaciones permisibles para que los equipos tengan originalidad en el diseño también.

2. De los ensayos efectuados con el software solidwork se consiguieron resultados satisfactorios en los cuales se tienen: a) Los desplazamientos obtenidos en la prueba de choque frontal se logró un que el chasis solo desplazara 46,162 mm, siendo el desplazamiento máximo 198,36. b) En la prueba volteo el arco principal solo se deformo 3mm donde el desplazamiento máximo es de 50,4mm. En esta prueba también se alcanzó el objetivo. c) En el ensayo de Torsión fue donde se midieron las tensiones y esfuerzos máximos siendo este el más importante ya que si en este ensayo se fallaba se tendría que rediseñara o a u m e n t a r a l g u n o s p e r f i l e s d e t u b o s .

Pero l o s r e s u l t a d o s f u e r o n satisfactorios. Ya que se obtuvo un esfuerzo máximo de torsión de 230,6 Mpa en comparación con el limite elástico del acero AISI 1020 los cuales son 351 Mpa, es decir que la deformación del chasis nunca va allegar a la zona plástica del material si no que se va a comportar elásticamente siempre que no exceda las cargas con que se simulo, de igual forma estas cargas simulan la condición más crítica en que el chasis puede estar en pista.

3. Con respecto a la factibilidad de costos de construcción siempre y cuando se produzca con acero sencillo al carbono y se le aplique soldadura con arco eléctrico con electrodo revestido los costos no son altos, el chasis se construyó con un costo total de 3150 Bs. Aunque estos pueden elevarse si se quiere mejorar el diseño y utilizar otros aceros aleados y otro método de soldadura.

4. Por último puede destacar que con la realización de este proyecto se demuestra que se puede producir proyectos funcionales los cuales le traerá más prestigio a la universidad y los alumnos de esta podrán ver y palpar el primer componente del Formula SAE que se está construyendo en la institución trayendo más ánimos al equipo para seguir producción los demás componentes.

Recomendaciones 1. Para mejor los diseños venideros del chasis se debe hacer un análisis metodológico se recomienda comenzar analizar los chasis de equipos ganadores en la competencia FSAE como ver de qué acero son construidos, si son tubulares o monocasco, las dimensiones que estos poseen. Toda esta información será muy útil para el inicio del diseño del chasis.

2. Cada vez que se termina de diseñar un chasis este debería tener un rigidez torsional mayor que el anterior pero siempre intentando disminuir o mantener el mismo peso del chasis, esto se consigue analizando el diseño, eligiendo materiales adecuados y livianos, el proceso de diseño del

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chasis es algo continuo, cada día se podría modificar algo nuevo ya sea para disminuir el peso o para aumentar la rigidez por lo que se recomienda establecer por lo menos 3 diseños diferentes y compararlos.

3. Dado que el acero aleado Cromo-Molibdeno en nuestro país es un poco complicado conseguir además que su costo es elevado. La recomendación es que independiente del tipo de acero se use, siempre cumpla con la norma FSAE, ya que la competencia no está hecha para ver quién puede diseñar con lo mejor sino quien puede diseñar lo mejor con los menores recursos posibles.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Álvarez A (2012) Diseño de chasis para vehículo FSAE. Disponible: http://earchivo.uc3m.es/bitstream/10016/15756/1/pfc_antonio_garcia_alvarez_2012.pdf [Consulta: 2012 Noviembre] Calvo A. (2009) Diseño y Análisis de un Chasis para un Prototipo de Fórmula SAE. Disponible: http://es.scribd.com/doc/38968086/Analisis-y-diseno-de-un-chasis- formula-SAE [Consulta 2012 Diciembre] Espada P. (2009) Estudio de Diseño de un Chasís Tubular Mediante los Elementos Finitos.

Disponible:http://cybertesis.uni.edu.pe/uni/2009/espada_gp/html/index- frames.html [Consulta: 2012 Diciembre] Ferrum C.A (2012) Catalogo y descripciones de aceros. Impresión 5000.

Grupo Team UCV SAE. http://www.teamhardwarevzla.com/2012/10/conociendo-al- equipo-deformula-sae-ucv/ [Consulta: 2012 Nobiembre] Joseph W (2009) Tecnicas y Practicas de la Soldadura. Caracas: Editorial Reverte Formula SAE (2013) Disponible:http://students.sae.org/competitions/formulaseries/rules/ [Consulta 2012 Noviembre] Pérez, A. (2009). Guía Metodológica para Proyectos de Investigación. Caracas: Editorial FEDUPEL. Revista De tecnología de Soldadura (2012) Weld+Vision. Revista numero 27

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SISTEMA DE DIRECCIÓN PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN VEHÍCULO TIPO MONOPLAZA, RESPETANDO LAS NORMAS DEL FÓRMULA SAE INTERNATIONAL EN EL GRUPO FSAE UFT

Autor: Br. Keyliegh Padrón Ingeniería de Mantenimiento Mecánico saeuft@gmail.com Año: 2013

RESUMEN El objetivo de este proyecto consiste en diseñar un sistema de dirección eficiente y eficaz para un vehículo monoplaza hacia la competencia Fórmula SAE 2014, entre universidades a nivel mundial, contribuyendo a fomentar el espíritu de desarrollo y sana competencia en el campo automotriz, así como el trabajo en equipo. El diseño del sistema de dirección esta soportado por la normativa FSAE Rules, que se plantea en la propuesta, la cual integra las condiciones mínimas reglamentarias para el dise ño y participación de los vehículos en la competencia. El proceso de diseño y selección del sistema de dirección se realizó de una manera práctica y sencilla para su fácil manejo, comprobando su funcionamiento y duración a través de una herramienta de diseño llamada SolidWorks 2013. Se estudió el sistema, comprobando su resistencia ante esfuerzos de deformación en su estructura, así como su viabilidad, además el sistema fue mejorado para reducir costos. Por ende lo principal debe ser cumplir con las metas planteadas y trabajar con un programa de diseño para la manipulación de las piezas.

Descriptores: Dirección, Sistema, Vehículo, Diseño, Fórmula, FSAE, Normas, Construcción, Propuesta Monoplaza.

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Introducción En el siguiente proyecto se llevó cabo el estudio y diseño del mecanismo de dirección para un vehículo destinado a una competencia en pista cerrada. En el proceso de investigación se dio una visión general del mecanismo estudiando a cada una de las partes que lo componen. El sistema de dirección es uno de los mecanismos de seguridad de mayor importancia del automóvil. Una avería de este sistema durante la marcha del vehículo puede ocasionar las más fatales circunstancias, representa para el conductor la pérdida del más importante órgano de control de automóvil. Siendo este el primer sistema de dirección desarrollado para tal fin, se enfocó en un modelo de dirección sencillo, económico y a la vez eficaz.

Sistema de Dirección para SAE-UFT El diseño y construcción de un sistema de dirección es la meta principal de esta investigación con la finalidad de asistir a una competencia universitaria internacional. Se hace necesario la creación de cada uno de los elementos que lo componen el vehículo FSAE, siendo una de estas el diseño de un sistema de dirección mecánica. A partir de la creación del proyecto SAE UFT, se generan grupos de trabajo para el diseño y construcción de un carro tipo formula, cuyo propósito será lograr la participación en una de las tres competencias que se hacen en el año, organizadas por SAE Internacional, específicamente en Michigan, donde se originó este gran reto de ingeniería automotriz. Para la formación y ensamblaje del automóvil es necesario el análisis y estudio de cada una de las partes que lo conforman de modo que el acople de cada uno de los elemento coincida con cada cual y así el funcionamiento del vehículo sea óptimo. En cuanto a la competición, el prototipo se someterá a una serie de evaluaciones que permiten la corrección de problemas, además de chequear cada una de las fases principales que contemplan el vehículo, es decir, las partes que requieren de pruebas a la hora de participar en una carrera.

Se procede a realizar las pruebas que demuestran la capacidad de ingenio, destreza y eficacia que tuvo el equipo para el diseño y construcción del vehículo tipo monoplaza. Las pruebas a realizar en las actividades se divides en, prueba de seguridad, prueba estática y prueba dinámica, con el propósito de verificar el nivel de trabajo realizado por los participantes (estudiantes) cumple con los procedimientos de seguridad y evitar cualquier falla o accidentes posteriormente.

Uno de los sistemas que conforman el vehículo y resultan de gran importancia a la hora del manejo y control del auto es el sistema de dirección. Se conoce como la dirección de un vehículo, a todos los órganos que permiten orientar las ruedas directrices, en función de las maniobras realizadas sobre un mando de accionamiento. La función del sistema de dirección es permitir el control direccional suficientemente preciso para realizar el trazado en las curvas, las acciones de adelantamiento de evasión ante obstáculos presentes en la carretera y las maniobras a velocidad baja, por ejemplo en maniobras de estacionamiento. El diseño de un sistema de dirección, además, buscara un buen aislamiento de las perturbaciones procedentes de la carretera, al mismo tiempo, que asegure un contacto adecuado

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neumático-camino y que logre un compromiso aceptable entre esfuerzos reducidos en el mando de la dirección en maniobras a baja velocidad y una adecuada estabilidad a velocidades elevadas.

La dirección tiene como misión aportar las siguientes características, suavidad en el manejo de la dirección, esto se refiere a que el volante debe tener maniobrabilidad, sobre todo al momento de aplicarse en las curvas. También está la estabilidad, una condición que debe permitir que el piloto pueda dirigirse en la trayectoria de la carretera sin la aparición de ninguna irregularidad que requiere de un esfuerzo del vehículo.

El procedimiento de dirección a efectuarse será realizado con un sistema mecánico de piñón y cremallera. Fue seleccionado por tener un control más preciso sobre el ángulo de giro de las ruedas al dar una curva, convirtiendo el movimiento rotatorio de la columna de dirección en un movimiento completamente lineal. Su diseño es sencillo y de fácil reparación, además de ser bastante comercial, debido a que gran parte de los automóviles utilizan este sistema. Posee bajo costo y su instalación dentro de vehículo es simple, de tal forma el conductor ejerce de forma general, su acción de control sobre un volante de dirección que está unido por medio de acoplamientos, denominados en conjunto, columna de dirección, a los mecanismos de actuación sobre ruedas. Para la unión entre la columna de dirección y el varillaje de la dirección se han empleado diferentes y variadas configuraciones que es el antes mencionado sistema de piñón y cremallera, siendo éste el más utilizado en los vehículos de fórmulas SAE.

Objetivo General Proponer el diseño de un sistema de dirección para la construcción de un vehículo tipo monoplaza, respetando las normas del formula SAE International en el grupo FSAE UFT. Objetivos Específicos 1. Diagnosticar la necesidad de diseño del sistema de dirección en el Fórmula SAE UFT. 2. Determinar los aspectos técnicos, operativos y económicos para optar por el sistema de dirección más eficiente y eficaz.

3. Diseñar el tipo de sistema de dirección para el prototipo FSAE UFT.

Justificación La propuesta se presenta para solucionar el problema de la ausencia de dicho dispositivo esencial para la culminación del vehículo, el cual debe ser diseñado y evaluado para la competencia de fórmula que se realizará en 2014. Este sistema es de suma importancia para el desarrollo del vehículo durante la competencia, ya que en él recae la seguridad del piloto. Este tipo de proyectos alienta a los estudiantes a trabajar en equipo, tanto así, que en el proceso de elaboración del proyecto se incluyeron estudiantes de

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las carreras de ingeniería además de la de mantenimiento mecánico, al mismo tiempo de beneficiarse con conocimientos, funcionales para el impulso del alumno en el ámbito laboral, siendo en el estado Lara los primeros en participar en una competencia de Formula SAE, demostrando la capacidad de preparación y ambición que poseemos. Este estudio está enmarcado bajo las líneas de investigación que establece la Universidad Fermín Toro, el mismo corresponde a la consolidación de la gestión de mantenimiento mecánico y está enmarcada en el eje rector III: Identidad y multiculturalismo en un mundo globalizado; en la línea de investigación: Diseño, rediseño y optimización de máquinas, equipos y dispositivos que promueven la creatividad tecnológica en nuestro país.

Restricciones de la Norma FSAE para el Sistema de Dirección Una restricción es una limitación que se imparte para algún caso, por ejemplo cuando queremos referirnos a algún impedimento a la hora de realizar alguna tarea, como ser la concreción de algún proyecto o trabajo o tan solo querer expresarnos. Por otro lado la norma SAE se encarga de impartir información para ofrecer un parámetro estándar como medida de seguridad y con el motivo de brindar al estudiante la posibilidad de expandir sus conocimientos e imaginación en el diseño y formación del proyecto como ejemplo se encuentran las Normas ISO, (1998) las cuales indican lo siguiente: Las normas son un modelo, un patrón, ejemplo o criterio a seguir. Una norma es una fórmula que tiene valor de regla y tiene por finalidad definir las características que debe poseer un objeto y los productos que han de tener una compatibilidad para ser usados a nivel internacional. (p. 53).

Restricciones de la Norma FSAE para el Sistema de Dirección: Ángulo de Giro del Volante La dirección del vehículo se hace por medio del volante. Al girarlo y por medio de una serie de mecanismos intermedios se consigue el giro de las ruedas. El giro del volante hace girar una barra que actúa como su eje y que es solidaria a este. Esta barra llega hasta la caja de la dirección. Como no es posible que el volante y la caja de la dirección estén unidas por una barra rígida. Cantos, (2006) expresan que el volante: constituye el órgano de mando de la dirección. Los detalles constructivos del volante varían según el fabricante ya que pueden ser de cuatro, tres, dos o incluso de un radio. El tacto y el grosor han de favorecer el uso cómodo y agradable. Se ha de ver cuando el vehículo circula en línea recta el tablero del vehículo (p.76).

La norma FSAE restringe específicamente el ángulo de inclinación o salida, el cual es el ángulo que forma la prolongación del eje del pivote sobre el que gira la rueda con la prolongación del eje vertical que pasa por el centro de apoyo de la rueda. Este ángulo suele valer entre los 4º y los 9º según los vehículos,

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siendo en la mayoría de los casos de 6º a 7º, como método de seguridad para el piloto y para que la salida del volante sea más rápida y efectiva. Esta disposición del pivote hace que se disminuya el esfuerzo que hay que aplicar para orientas las ruedas. Si el pivote y el eje vertical de las ruedas fuesen paralelos, el esfuerzo a realizar se determinaría por el par resistente: C = Fr*d

(Ec. 1)

En donde C, es el par resistente a realizar en Kpm, Fr es la resistencia a la rodadura y d es el brazo del par en Cm. Restricciones de la Norma FSAE para el Sistema de Dirección: Ángulo de giro de neumáticos Un neumático o llanta es un segmento circular de caucho que se coloca en las ruedas de máquinas y vehículos con el objeto de permitir un contacto adecuando por adherencia y fricción con el pavimento, posibilitando el arranque, el frenado y la guía. Fueron creados por el veterinario e inventor escocés John Boyd Dunlop en 1888, siendo este el primer neumático con cámara de aire para el triciclo de su hijo, hasta entonces la mayoría de las ruedas tenían llantas con goma maciza. Si se observa a un coche dirigido en curva veremos, que para que el giro se haga correctamente la rueda que va por dentro de la curva debe girar más que la que va por fuera, ya que como es obvio el radio de giro es más pequeño por dentro de la curva que por fuera, por lo que tendrá que recorrer menor distancia que la externa.

A este sistema se le llama condición Ackerman, siendo esta la geometría buscada para que al girar en una curva, los radios de giro de las ruedas delanteras y las ruedas traseras se encuentren en un solo punto. Cantos (2006) expresa que “La caída excesiva tiene gran importancia en el desgaste de los neumáticos, si la caída es positiva el borde exterior de los neumáticos se desgasta rápidamente” (p.54).

La Norma FSAE estipula que el ángulo de giro de los neumáticos debe oscilar entre los (34- 36°) grados, esto es una medida de seguridad y estándar en estos tipos de vehículos.

Para conseguirlo se deben conocer los ángulos que indican los neumáticos para realizar el giro correcto durante la carrera. A través de la siguiente fórmula de la ecuación general para la geometría ackerman:

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Fuente: POPA, Cristina Elena. Steering System and Suspensión Design for 2005Formula SAE-A Racer Car. University of Southem Queensland. Pág. 42.

Figura 1: Condición Ackerman Sistema de Dirección.

Fuente: Cruz, G. Mesías, D. (2013) Pág. 58.

Figura 2:Geometría Básica de la Dirección.

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Restricciones de la Norma FSAE para el Sistema de Dirección: Columna de Dirección

Naturaleza de la Investigación El estudio de la investigación se basa en una modalidad de proyecto factible de este modo se propone realizar el diseño de un sistema de dirección para la elaboración de un vehículo tipo monoplaza en la Universidad Fermín Toro de Cabudare- estado Lara. Además de estar sustentado por una investigación de campo, como herramienta de ejecución y respaldo de la información planteada. Esta investigación es del tipo cuantitativa y según Tapia (2002) y Hernández (2003) ante una investigación que utiliza la recolección y el análisis de datos para contestar preguntas de investigación y probar hipótesis establecidas previamente y confía en la medición numérica, el conteo y frecuentemente en el uso de estadísticas”. (p.10).

Fases de la Investigación Diagnóstico Esta etapa se recopilo información sobre prototipos de la Formula SAE, así como del sistema de dirección para su correcto diseño”. Ante esta situación nacen una serie de actividades que son el procedimiento para cumplir con el primer objetivo de investigar la necesidad del diseño de un sistema de dirección para el prototipo FSAE UFT.

Factibilidad

En la fase de factibilidad se determino los aspectos técnicos, operativos y económicos para optar por el sistema de dirección más eficiente y eficaz, con la finalidad de poder seleccionar elementos del vehículo como la dirección, que puedan ser funcionales y a las vez más económicos para tener un prototipo que pueda estar entre los parámetros disponibles para realizar un estudio técnico operativo del sistema de dirección donde se evaluo las alternativas de la solución más eficiente, los recursos a utilizar en el diseño, se realizo un estudio económico y presento los costos involucrados en el diseño.

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Diseño

Se efectuaron las siguientes actividades para el desarrollo del objetivo, presentadas de la siguiente manera: Indagar los parámetros que debe llevar un sistema de dirección para su correcto funcionamiento, a) Buscar las especificaciones del ángulo de giro del volante. b) Indagar sobre la posición del piñón, tomando en cuenta su influencia en la condición Ackerman. c) Estudiar el sistema de dirección bajo la norma FSAE. d) Estudiar el manual de la norma formula SAE 2013, referente a la competencia. e) Investigar en qué consiste la prueba Skid Pad, como se evalúa en cuanto al sistema de dirección. f) Investigar en que consiste la prueba Autocross, como se evalúa en cuanto al sistema de dirección. g) Estudiar qué es la prueba Endurance, analizar cómo se evalúa referente al sistema de dirección y cómo tener un sistema de dirección óptimo para ésta. Por otra parate, Seleccionar los materiales para la construcción del sistema de dirección: Elaborar distintos elementos del sistema, como la columna, brazos de acoplamiento, barra de dirección, entre otros con acero AISI-1020. Asi mismo, Determinar los parámetros que afectan el sistema de dirección: a) Realizar el diseño de cada componente del sistema de dirección en software como SolidWorks o AutoCAD, para la evaluación de cada uno de los mecanismos. b) Determinar los esfuerzos mecánicos que se aplican en el sistema de dirección. c) Realizar los cálculos de esfuerzo torsor para la columna de dirección. d) Elaborar los cálculos del esfuerzo flector para la evaluación de la cremallera. e) Realizar los cálculos necesarios de esfuerzos de compresión y tracción para los brazos de acoplamiento. Finalmente, Aplicar las relaciones existentes en el sistema de dirección para su correcto diseño: a) Elaborar la unión correcta entre el piñón y la cremallera, tomando en cuenta el paso de los dientes.

Sistema de Dirección De allí nace la necesidad de diseñar un sistema de dirección apto para el prototipo FSAE UFT, debido a que comercialmente el sistema de dirección común en los autos de ciudad o campo en el país, no cumplen con los requerimientos del diseño de un monoplaza, un ejemplo evidente es la ubicación de la columna de dirección, ya que en los autos comerciales, normalmente ésta se ubica en un extremo del vehículo, mientras que en un carro tipo monoplaza, la columna se ubicaría en el centro del coche, debido a su limitado espacio. Observar en la figura.

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Fuente: Funtasticko.net (Página One Line) Figura 10: Sistema de Dirección en un Vehículo Tipo Monoplaza.

Diseño Buscar las especificaciones del ángulo de giro del volante

En los vehículos se desmultiplica el giro del volante de dirección a fin de que se consiga disminuir la fuerza que necesita el conductor para hacer girar las ruedas. La dirección se hace por medio del volante, al girarlo y por medio de una serie de mecanismos intermedios se consigue el giro de las ruedas.

El diámetro del volante determina la facilidad con la que se puede gobernar el vehículo. Según la norma FSAE Rules (2013), la altura del volante debe ser más baja que la altura del aro de seguridad delantero. Lo más conveniente a la hora de fijar la altura del volante es maximizar la distancia a las piernas, siempre que se cumpla la distancia al aro de seguridad. La posición adecuada de las manos sobre el volante sería las 10 y las 12, en relación con un reloj analógico.

Primer caso: Piñón debajo de la cremallera

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 12 Movimiento del piñón cuando se encuentra debajo de la cremallera.

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Cuando el piñón se coloca debajo de la cremallera y se rota el engranaje en sentido anti horario la cremallera va a tener un desplazamiento negativo (de derecha a izquierda) y para lograr que los neumáticos giren en dirección a la rotación indicada el brazo de acoplamiento debe ir delante del pivote de giro de la rueda, para que el vehícu lo se dirija, en este caso a la izquierda con el giro aplicado al piñón.

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 13: Pivoteo en los neumáticos cuando el piñón está por debajo de la cremallera.

Segundo caso: Piñón por encima de la cremallera

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 14: Movimiento del Piñón cuando se encuentra por encima de la cremallera.

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En el segundo caso, cuando el piñón se encuentra encima de la cremallera y se impulsa al engranaje en sentido horario, la cremallera va a tener un desplazamiento positivo (de izquierda a derecha). A diferencia del anterior para que los neumáticos giren en dirección a movimiento aplicado, el brazo de acoplamiento debe ir detrás del pivote de giro de la rueda, de este modo el vehículo conducirá hacia la izquierda.

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 15: Pivoteo en los Neumáticos cuando el Piñón está por Encima de la Cremallera.

Investigar en qué consiste la prueba Skid Pad, estudiar cómo se evalúa en cuando al sistema de dirección.

Utilizando la herramienta de observación directa, se estudió el comportamiento del vehículo durante la simulación de la prueba SkidPad. En el momento en que el vehículo inicia su salida hacia la pista en forma de 8, comienza el funcionamiento de todos los mecanismos del mismo. El vehículo recorre 2 vueltas en cada círculo del circuito de radio definido. En el inicio de la carrera se observó que el vehículo aceleraba lentamente hasta que el neumático más externo comienza a deslizarse y en ese punto la velocidad del coche se establece y registra. El sistema de dirección durante la aceleración se torna cada vez más cerrado y demuestra mayor maniobrabilidad, actuando de manera precisa y con la suavidad apropiada para que el piloto la controle a la velocidad en que viaja el vehículo.

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Fuente: Cruz, G. y Mesías, D. (2013) Pág. 54.

Figura 16: Vehículo Circulando por una Curva de Radio Constante.

El caucho que desliza no causa ninguna vibración o descontrol en el vehículo debido a la condición Ackerman diseñada en él. Una de las funciones más importantes de la rueda es generar las fuerzas laterales necesarias para controlar o cambiar la dirección del vehículo, y resistir fuerzas externas tales como ráfagas de viento o las creadas por las inclinaciones de la carretera. Estas fuerzas se generan gracias a un deslizamiento o a una inclinación lateral de la rueda (caída); o una combinación de ambos, en el momento en el que la fuerza lateral generada sobrepasa la fuerza de rozamiento máxima, ocurre el deslizamiento.

Investigar en que consiste la prueba Autocross, como se evalúa en cuanto al sistema de dirección.

Continuando con las pruebas realizadas y estudiadas al monoplaza del grupo FSAE UCV, pasan a la prueba Autocross, la cual es un poco más exigente que la anterior, ya que el coche se dirige en un curso apretado sin el estorbo de otros autos. Se percibe que el coche comienza andar a toda velocidad hasta encontrarse con las intersecciones cerrada de la pista en donde reduce su velocidad y continua así durante todo el circuito. La eficiencia del sistema de dirección es de suma importancia ya que cada obstáculo se encuentra a una distancia cercana a la otra por lo que el piloto debe dirigir como mucha precisión el vehículo de extremo a extremo. La duración de cada carrera es de aproximadamente 0,805 kilómetros (1/2 milla) y el conductor completa un número determinado de intervalos.

La velocidad media debe ser de 40km/h (25 mph) a 48 km/ h (30 mph), en donde el sistema de dirección debe reaccionar a gran velocidad por los cruces forzosos que debe efectuar el piloto, por lo

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que la misma se debe encontrar en óptimas condiciones tanto en la caja como en el pivoteo de los brazos de acoplamiento hacia los neumáticos.

Estudiar qué es la prueba Endurance, analizar cómo se evalúa referente al sistema de dirección y cómo tener un sistema de dirección óptimo para ésta.

Para terminar con los ensayos efectuados al vehículo monoplaza de los estudiantes de FSAE UCV para estudiar el auto y que el mismo se encuentre en condiciones óptimas, preparado para la competencia.

En cuanto a lo que el sistema de dirección se refiere se culmina con la prueba Endurance o prueba de resistencia. Es una competencia contra reloj, en ésta se demuestra la capacidad y eficiencia de coche, por ejemplo la calidad de los materiales utilizados para la fabricación de las piezas de cada mecanismo, el diseño estructural también influye en la resistencia del auto. La velocidad media debe ser de 48 km / h (29.8 mph) a 57 km / h (35.4 mph) con una velocidad máxima de aproximadamente 105 km / h (65.2 mph).

Dicha prueba se realiza con varios vehículos de la competencia en donde se debe demostrar, velocidad, durabilidad y plan estratégico por parte del equipo especialmente del piloto en el momento de la carrera, sin embargo en la prueba realizada por el grupo FSAE UCV, se encontraba el monoplaza únicamente, ya que sólo se requería el ensayo del mismo. El sistema de dirección soportó de manera eficiente la prueba. Donde se pudo notar que el volante es más suave cuando está en movimiento, esto se debe, a que al estar en movimiento se reduce el esfuerzo de contacto en los neumáticos que al estar estático (o estacionado). También se detalló que el volante no tiene casi juego al girar, lo que resulta del buen acople entre el piñón y la cremallera, siendo de gran ayuda para el piloto, pues le brinda la oportunidad al conductor de aplicar su destreza sobre la pista.

Seleccionar los materiales para la construcción del sistema de dirección.

Los materiales a utilizar en la construcción del sistema de dirección son: Acero AISI/SAE 1020 para la construcción de la columna de dirección, la caja de dirección que incluye el piñóncremallera, los brazos de acoplamiento en conjunto de las rótulas internas y los terminales.

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 17: Engranaje Elaborado con Acero AISI 1020.

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Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 18: Cremallera Elaborada con Acero AISI 1020.

Tanto el piñón como la cremallera son fabricados con acero AISI 1020, la diferencia de estos dos elementos con respecto a los demás, es que dicho material debe ser modificado superficialmente para mejorar su capacidad al roce, desgaste, resistencia y temperatura, con un tratamiento de cementado.

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 19: Brazo de Acoplamiento Diseñado con Tubo de Acero AISI 1020.

Los brazos de acoplamiento del sistema de dirección están diseñados con tubo de acero AISI 1020 de espesor de 1/2”, sin embargo dicho elemento también requiere de un procedimiento superficial diferente al anterior, aplicando un tratamiento de pavonado, se protegerá la superficie de la barra, ante la corrosión, ya que está expuesta a las condiciones de la pista de carrera y su ambiente.

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La columna de dirección fue modificada, ya que se excluyó el cardan del diseño. Esto se debe a que se cambió la posición de la cremallera. Se Situó en la parte superior del chasis, quedando por encima de los pies del piloto, permaneciendo de la siguiente manera:

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 21: Diseño Final del Sistema de Dirección

Es importante que la ubicación del sistema de dirección no interfiera con el espacio donde se encontrará el piloto, ya esto puede ocasionar una obstrucción a la hora de salir o entrar al vehículo además de generar descontrol al piloto por la reducción de movimientos.

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 22: Posición de la cremallera en el chasis.

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Determinar los parámetros que afectan el sistema de dirección.

La dirección al ser un sistema mecánico, está sometida a cargas a elementos que ofrecen resistencia, se presentan deformaciones en su estructura, claro que esto depende de la carga que se le aplica. A las fuerzas que actúan sobre los cuerpos se les conocen como esfuerzos mecánicos. Existen diferentes tipos de esfuerzos mecánicos, sin embargo en el sistema de dirección actúan cuatro (4) diferentes esfuerzos los cuales son: Torsión, Flexión, Compresión y Tracción. Dichos esfuerzos serán estudiados y simulados para demostrar la resistencia del sistema de dirección ante diferentes circunstancias.

Determinar los esfuerzos mecánicos que se aplican en el sistema de dirección. Cálculos de esfuerzo Torsor para la columna de dirección.

El análisis de rigidez torsional se establece mediante la aplicación de una carga que intente rotar uno de los ejes del vehículo mientras el otro permanece estático. Se analizan condiciones que se puedan presentar.

Fuente: Padrón, K. (2014 Figura 23: Diseño Final de la Columna de Dirección y Volante.

Cuadro 5 Especificaciones de Columna y Volante Piezas Distancia Masa Columna

429.51 mm

1.69592 kg

Pe so 16.62 N

Volante

X: 248.16 mm Y: 174.50 mm

4.22310 kg

41.38 N

Fuente: Padrón, K. (2014)

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Según Eastman Kodak (1983) en su libro “Ergonomic Design for People at Work”, “La fuerza tangencial que se aplica sobre un volante, ronda entre los 20N y 200N”, la cual depende de la posición de las ruedas respecto al piloto. Como el piloto aplique la fuerza en el diámetro exterior del volante, el momento que se aplica sobre la columna de dirección irá en aumento según se incremente dicho diámetro, aun manteniendo la misma magnitud de fuerza aplicada. Con la ayuda del software de diseño llamado solidWorks 2013, se logró realizar la simulación del esfuerzo torsional aplicando un fuerza de 200N, el equivalente a 20kg como prueba en un caso de riesgo extremo, a la columna de dirección maniobrado por el volante, a lo que se obtuvo el torque y deformación indicado en la figura.

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 24: Análisis Estático Torsional a la Columna de Dirección y Volante.

El análisis estático realizado a la columna y el volante mostraron los valores de tensión resultantes de la carga aplicada y representada por los colores azul oscuro y verde, donde se observan en el volante y la barra de la columna respectivamente. Las cifras rondan entre 0.0 a 529.1 N / mm² (Mpa).

Cuadro 6 Análisis Estático Columna y Volante Tensión de Von Mises N/mm² (Mpa) Mí

Máx

Columna

220.4

352.7

Volante

0.0

44.1

Fuente: Padrón, K. (2014)

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Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 25: Desplazamiento Estático de la Columna y el Volante.

Los colores indican los lugares en donde se concentran los esfuerzos desde el mínimo simbolizado por el color azul oscuro, hasta el máximo que es representado por el color rojo. El desplazamiento resultante va desde 0.0 mm en el volante, hasta 11.2 mm en el extremo de la cremallera.

Elaborar los cálculos de esfuerzo flector para la evaluación de la cremallera.

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 26: Diseño Final de la Cremallera.

En el estudio sistematizado de la cremallera se presentó un esfuerzo flector en la misma que debe ser imitado para demostrar que en casos de máxima dificultad mecánica o técnica el sistema responderá

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o resistirá de manera correcta a los movimientos aplicados al mecanismo. Por ende, se realizó la simulación del esfuerzo flector actuando en la cremallera y se obtuvieron los siguientes resultados: Cuadro 7 Dimensiones de la cremallera Piezas

Distancia

Masa

Cremallera

600 mm

1.51105 kg

Pe so 14.8083 N

Fuente: Padrón, K. (2014)

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 27: Análisis Estático de Tensión en la Cremallera.

En las tensiones aplicadas a la cremallera los colores azul oscuro y azul celeste muestran la concentración de esfuerzos, que van en un rango de 0.0 a 10.0 N/mm² o Mpa.

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Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 28:Desplazamiento Estático en la Cremallera.

La distancia o desplazamiento producido por la carga aplicada de 200 N, ocasionó un rango que va desde 0.0 a 0.09mm desde el centro (Rojo) con el máximo valor, hasta los extremos (Azul oscuro) con el mínimo. Estos valores tan considerablemente pequeños no producen ningún efecto visual en la barra, por lo que se suponen despreciables pero importantes para el aporte de la investigación.

Realizar los cálculos necesarios de esfuerzos de compresión y tracción para los brazos de acoplamiento.

Durante el funcionamiento del mecanismo del sistema de dirección se producen esfuerzos de compresión y tracción en los brazos de acoplamiento durante su desempeño. Para conocer el comportamiento de estos esfuerzos en las secciones se realizó una simulación de una circunstancia intensa para el sistema y sus componentes, en este caso, los brazos de acoplamiento. Ante esta situación al igual que los anteriores se aplicó una fuerza de 200 N para comprimir y estirar el brazo, analizando los resultados y verificando que el mecanismo sea capaz de resistir una situación como ésta. De la siguiente manera se presentarán los resultados de la prueba.

Fuente: Padrón, K. (2014)Figura 29: Diseño Final de los Brazos de Acoplamiento.

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El sistema de dirección posee dos tubos en los extremos de la cremallera con unas rótulas en las puntas para su agarre, a este mecanismo se le llama brazos de acoplamiento y su función es transmitir el movimiento de la cremallera a las ruedas del vehículo.

Cuadro 8 Dimensiones del Brazo de Acoplamiento Piezas Distancia Masa Brazo

339.70 mm

0.0896964 kg

Peso Unitario 0.879024 N

Rótula

48.97 mm

0.0340301 kg

0.3334 N

Durante la ejecución del mecanimo de los brazos en el sistema de dirección, a éstos se le aplican una serie de esfuerzos, que es necesario evaluar para asegurar la resistencia del material ante cuaquier situación. En el proceso mientras uno de los brazos se encuentra hostigado por un esfuerzo de compresión, su contraparte se percibe en tracción y viceverza al continuar en movimiento.

Ensayo de Compresión

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 30: Análisis Estático por Compresión en los Brazos de Acoplamiento.

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Cuadro 9 Análisis Estático de compresión Tensión de Von Mises N/mm² (Mpa)

Brazo

Mín

Máx

0.0

11.5

Fuente: Padrón, K. (2014) Los tonos observados en el brazo, resultado del ensayo muestran los esfuerzos aplicados en el mismo, que van desde 0.0 a 7.7 N/mm² (Mpa), es decir, desde el matiz azul oscuro hasta el verde limón según el elemento.

Análisis de Desplazamiento Estático:

Este estudio muestra el desplazamiento ocurrido en la pieza durante la aplicación de esfuerzos que lo deforman en este caso el esfuerzo empleado fue de compresión.

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 31: Desplazamiento Estático por Compresión en los Brazos de Acoplamiento.

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Sin embargo, como se observan los valores de desplazamiento resultante (URES) van de 0.0 a 0.00982128 mm, a lo que se puede acotar que es una medida muy pequeña de deformación que no afecta en lo absoluto al elemento durante su funcionamiento.

Ensayo de Tracción

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 32:Análisis Estático por Tracción en los Brazos de Acoplamiento.

Se observan los resultados que arrojó el ensayo de tracción los cuales se asemejan con los del estudio anterior a diferencia de que la pieza ya no está siendo contraí da sino estirada, entre los datos mostrados por la gama de colores en el brazo.

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Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 33: Desplazamiento Estático por Tracción en los Brazos de Acoplamiento.

Los valores en cuanto al desplazamiento efectuado por la distorsión, también son considerablemente mínimos para causar alguna anomalía en la marcha del mecanismo.

Elaborar la unión correcta entre el piñón y la cremallera, tomando en cuenta el paso de los dientes.

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 34: Unión de Piñón y Cremallera en la Caja de Dirección.

Cálculos para piñón y la cremallera

Tanto el piñón como la cremallera son realizados con un Módulo de 2.5.

Paso: 3,1416 x M = 3,1416 x 2.5 = 7,854 mm

El piñón es diseñado con 20mm de espesor y una cantidad de 16 dientes. Se tiene un diámetro primitivo de: Dp = M x N = 2.5 x 16 = 40 ᴓ

Cálculo de velocidad de la cremallera: V = D/2 = 40 / 2 = 20 m/s

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Consideraciones Mientras que la razón de usar un Ackerman negativo (Anti Ackerman) en un vehículo de competición, es que en competencia se va a tener aceleraciones laterales muy elevadas y por la inercia que esto produce va a tener mejor asentamiento y adherencia al piso el neumático del exterior, por lo que usando anti Ackerman se va a tener una mejor respuesta en curva.

Fuente: Cruz, G. y Mesías D. (2013) Figura 35: Fuerza Lateral Cuando la Condición es Ackerman o Anti-Ackerman.

El Ackerman negativo determinó la posición de la cremallera ante el piñón (arriba), además de la ubicación de pivoteo de los brazos de acoplamiento para cumplir con la condición mencionada.

Fuente: Padrón, K. (2014) Figura 36: Ubicación del Pivoteo por Ackerman Negativo.

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Conclusiones En el diseño de un mecanismo se deben plantear las metas u objetivos que se desea plasmar en el vehículo, trabajar para disminuir masa es muy importante lo que conlleva a trabajar en análisis de materiales, geometría y procesos de manufactura. El sistema de dirección con piñón y cremallera, tiene un control más preciso sobre el ángulo de giro de las ruedas al dar una curva, al convertir el movimiento rotatorio de la columna de dirección en un movimiento completamente lineal.

El sistema de dirección ejecutado y mejorado para una mayor eficiencia y menos costo, la ausencia del cardán reduce el posible juego en el volante causado por desajuste. En cuanto a los materiales seleccionados se obtuvo una excelente unión en el ensamblaje del sistema, en especial en la caja de dirección, ya que es una pieza fundamental para el funcionamiento del mecanismo.

Recomendaciones El diseño del sistema se debe realizar de manera sencilla para facilitar su reparación, siendo bastante comercial disminuye costo y su instalación dentro de vehículo.

El diseño del sistema se debe realizar en un programa de dibujo asistido por computadora y con los componentes que se va a incorporar al sistema, para poder determinar exactamente donde está ubicado el centro de gravedad con la herramienta del software y manipular sus dimensiones.

El sistema de dirección es de libre diseño o selección, sin embargo sea cual sea el diseño seleccionado el sistema de dirección debe operar sobre las dos ruedas delanteras.

Todos los sistemas de dirección requieren de un adecuado mantenimiento periódico, al que generalmente no se les presta atención, ocasionado con el tiempo que problemas menores se transformen en mayores ya que, si falla la dirección, que es la que guía auténticamente el auto a voluntad de su conductor, las consecuencias pueden ser muy graves.

Los componentes de la dirección están tan interconectados, que tan sólo el desgaste de una de sus piezas puede comprometer de forma seria la capacidad para conducir, detener, o mantener la estabilidad del vehículo. Por lo tanto, es necesario verificar periódicamente que cada uno de los elementos del sistema de dirección funcione correctamente, los que más se deterioran son los extremos, la cremallera, los bujes de guía de la barra y el piñón de dirección.

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DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO PARA EL RECORRIDO EN LA PISTA DEL VEHÍCULO DE LA FORMULA SAE-UFT

Autor: Ing. Walter Castro Ingeniería de Telecomunicaciones fsaeuft@hotmail.com Año: 2013

Introducción La evolución tecnológica va de la mano con los avances de ingeniería, está como carrera, se fundamenta en el aspecto de resolver de la forma más eficiente y creativa un problema planteado. Las Telecomunicaciones ocupan el lugar dominante de las tecnologías y son factores esenciales para el desarrollo de todas las empresas y organizaciones que a su vez deseen crecer con la dinámica de las tendencias globales.

Con los avances de la electrónica en cuantos a dispositivos electrónicos como los microcontroladores, cada vez más compactos y potentes, la rama de la instrumentación se ve beneficiada ya que los instrumentos que se construyen actualmente además de ser indicadores o controladores, cuentan con características que le permiten comunicarse con computadoras centrales. Es de gran utilidad a la hora de construir dispositivos electrónicos que se puedan crear para lograr satisfacer una necesidad o un problema.

Los accidentes en las pistas de la formula SAE son la parte más dramática del problema de toda carrera, su eliminación parece ser una tarea imposible de lograr, pero sin lugar a duda es una tarea que debe abordarse desde todas sus perspectivas. Es por ello que se hace necesario el uso de la tecnología para el desarrollo de un sistema de monitoreo capaz de visualizar en tiempo real el recorrido de la pista del vehículo de la formula SAE-UFT y evitar posibles accidentes.

En las carreras profesionales, los accidentes al competir se convierten en un problema alarmante, difícil de ignorar y de contrarrestar, sobretodo porque este tipo de sucesos ocupan el primer lugar en la lista de causas de muerte de todas las competiciones automotriz.

Requerimiento del Sistema de Monitoreo Por el simple hecho de ser seres humanos nos lleva a desenvolvernos en medios donde tenemos que estar comunicados, en ello recae la importancia de la transmisión y recepción de información, en la época actual las comunicaciones han tenido un elevado grado de penetración, es por ello, que es necesario implementar sistemas donde la transmisión y recepción de información se mantenga en tiempo real con una velocidad y calidad óptima.

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Con el desarrollo de las nuevas tecnologías y su creciente evolución, ha llevado a alcanzar niveles de complejidad nunca visto, esto ha llevado a que los diferentes dispositivos tecnológicos se adapten a los cambios y al desarrollo que van surgiendo. En la actualidad un sistema de monitoreo debe prestar un servicio de calidad en cualquier ubicación geográfica, incluyendo lugares que presenten un recorrido variado.

Los sistemas de monitoreo permiten mantener el seguimiento y control estricto sobre un determinado proceso con la finalidad de optimizar la ejecución del mismo y tomar las acciones correctivas o preventivas lo antes posible, para evitar fallas que repercutan en el desarrollo eficiente de dicho proceso y cause interrupciones del mismo.

En Venezuela actualmente existen muchos dispositivos para monitorear y visualizar los caminos y mapas de cualquier recorrido, estos dispositivos ofrecen diversidad de servicios en sus sistemas de comunicación y monitoreo. Estos dispositivos como por ejemplo el sistema de posicionamiento global (GPS) prestan servicios a la comunidad, brindando aplicaciones que están cada vez más a la vanguardia del crecimiento de las telecomunicaciones.

A medida que pasa el tiempo, la demanda de servicios que hagan más segura la visualización del recorrido de los vehículos se hace cada vez mayor, el enorme aumento de construcciones y carreteras en las ciudades y nuevas vías, la flora predominante, el relieve, entre otros, afectan de forma considerable el recorrido de cualquier vehículo, dando origen a una necesidad de saber cómo será el camino, que se debe afrontar de la mejor manera posible.

En las competencias de vehículos de carrera en circuitos cerrados es de vital importancia mantener el monitoreo continuo de la ubicación geográfica para realizar el seguimiento del trayecto recorrido, para poder informar al piloto de la posición de los obstáculos y las modificaciones del trayecto que sean necesarias para mejorar el rendimiento en la pista y garantizar un desempeño competitivo y optimo en la competencia.

Actualmente la Universidad Fermín Toro está trabajando en un modelo de vehículo de carrera para la fórmula SAE, la cual es una competencia entre estudiantes universitarios a nivel mundial donde participan equipos de las diversas casa de estudios, los cuales se encargan del diseño, construcción y puesta en marcha de vehículos de carrera tipo formula, para tal fin el proyecto F-SAE UFT requiere participantes de todas las especialidades para desarrollar todos los sistemas que requiere el automóvil para poder entrar en funcionamiento.

Entre los sistemas requeridos para el vehículo fórmula SAE UFT, se encuentra el sistema de monitoreo para la ubicación en la pista, el cual requiere que dicho vehículo transmita en tiempo real su ubicación geográfica para que el sistema SCADA que se encarga de visualizar todos los elementos de control del mismo pueda ir graficando sobre el mapa de la pista donde se encuentra y determinar si se aproximó un obstáculo o si hay que ajustar movimientos.

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En base a lo antes descrito la presente investigación propone el diseño del sistema de monitoreo en tiempo real de la trayectoria del vehículo en la pista, información que será enviada a la cabina de control para realizar la supervisión del mismo e indicar las acciones preventivas y correctivas que el piloto debe aplicar para que su recorrido termine de manera eficiente y eficaz en función de las metas trazadas.

Objetivo General Diseñar el sistema de monitoreo para el recorrido en la pista del vehículo de la formula SAE-UFT Objetivos Específicos 1. Estudiar las diferentes maneras de llevar a cabo la comunicación continua entre el pilo y la cabina de control para enviar los datos de ubicación del vehículo.

2. Determinar la factibilidad técnica, operativa y económica de la alternativa recomendada.

3. Diseñar el sistema de monitoreo del recorrido de la pista.

Justificación e Importancia Con el auge de los sistemas de monitoreo tales como los GPS y su gran crecimiento, ha llevado a su implementación en todos los lugares a los cuales tengan alcance los seres humanos, con el fin de obtener los beneficios que brindan los mismos y la posibilidad de verificar donde estamos ubicados y si estamos protegidos en un lugar sin riesgo alguno, garantizando un servicio confiable y de calidad que cubra con las demandas de los usuarios.

Dichos Sistemas podrían prestas sus servicios a diferentes usuarios sin importar su ubicación, es por ello que se plantea el diseño de un Sistema de monitoreo que brinde mejoras en cuanto a la transmisión de información del recorrido de la pista y los percances que esta pueda presentar, con el fin de sumarle y facilitarle la información en tiempo real a la cabina de control del vehículo de la formula SAE. El sistema de monitoreo propuesto es una herramienta de gran utilidad que va a permitir mantener informados tanto a la cabina de control como al piloto del desarrollo del recorrido, de los factores y condiciones estructurales que se presentan en la pista, para de esta manera tomar las acciones preventivas y correctivas pertinentes. Adicionalmente debido a la gran demanda de investigaciones y de nuevos diseños, el desarrollo de este trabajo ofrece una metodología de alternativa de monitoreo para recorrido de vehículos que puede servir de fundamento para otras investigaciones.

Sistema de Monitoreo Es una herramienta que permite al usuario hacer una mejor toma de decisiones. El Monitoreo es el proceso sistemático de recolectar, analizar y utilizar información para hacer seguimiento al progreso de un programa en pos de la consecución de sus objetivos, y para guiar las decisiones de gestión. El monitoreo

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generalmente se dirige a los procesos en lo que respecta a cómo, cuándo y dónde tienen lugar las actividades, quién las ejecuta y a cuántas personas o entidades beneficia. El monitoreo se realiza una vez comenzado el programa y continúa durante todo el período de implementación.

Características de un sistema de Monitoreo Para que sea un sistema de monitoreo exitoso debe tener dichos componentes: a) Un concepto de marca que identifique al sistema b) Una aplicación Web en donde se recoge la información asociada al sistema c) Un esquema estándar de difusión de la información producida por el sistema d) Un esquema estándar de asesorías técnicas a los diferentes actores relacionados de forma directa con el sistema e) Un conjunto de guías técnicas y procedimentales que definirán las líneas conceptuales y de funcionamiento del sistema.

Vehículo Fórmula SAE-UFT La Fórmula SAE se inició en 1981 con la participación de un grupo de estudiantes de Texas, quienes pretendían incentivar a los estudiantes en el diseño y construcción de un vehículo de competencia tipo fórmula.

La Fórmula SAE es quizás la competencia de Ingeniería Mecánica de más alto perfil en el mundo.

Para competir en Fórmula SAE, los estudiantes deben concebir, diseñar y manufacturar un vehículo de carrera tipo fórmula, aplicándosele ciertas restricciones al diseño de este vehículo con la intención de retar el conocimiento, la creatividad y la imaginación de los estudiantes.

Este proyecto novedoso se ha denominado “Equipo de la Fórmula SAE de la UFT", conformado por un grupo de trabajo multidisciplinario y organizado dentro de la comunidad universitaria, con la finalidad de poner en práctica conocimientos y experiencias adquiridos en la formación profesional y aplicarlos en la creación de investigaciones y proyectos innovadores.

Sistema Scada SCADA proviene de las siglas Supervisory Control and Data Adquisition (Supervisión, Control y Adquisición de Datos). Estos sistemas son aplicaciones de software diseñadas con la finalidad de controlar y supervisar procesos a distancia. Se basan en la adquisición de datos de procesos remotos.

Este tipo de sistema es diseñado para funcionar sobre ordenadores en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas

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programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde una computadora. Además, envía la información generada en el proceso de la carrera a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como hacia otros supervisores dentro de la formula, es decir, que permite la participación de otras áreas, como por ejemplo: supervisión, mantenimiento, etc.

Las tareas de supervisión y control generalmente están más relacionadas con el software SCADA, en él, el operador puede visualizar en la pantalla del computador cada una de las estaciones remotas que conforman el sistema, los estados de éstas, las situaciones de alarma y tomar acciones físicas sobre el vehículo si es necesario.

Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos. Un término clave en la definición, al que muchas veces no se le da adecuada atención, es el de supervisión, que significa que un operador humano es el que al final tiene la última decisión sobre operaciones.

Funciones Principales Dentro de las funciones principales realizadas por el sistema SCADA están las siguientes: 1. Supervisión: El operador podrá observar desde el monitor la evolución de las variables de control, como cambios que se produzcan en la operación de cada carrera, lo que permite dirigir las tareas de mantenimiento y estadística de fallas.

2. Control: Mediante el sistema se puede activar o desactivar los equipos remotamente (por ejemplo activar interruptores, prender motores, etc.), de manera automática y también manual. El operador puede ejecutar acciones de control y podrá modificar la evolución del proceso en situaciones irregulares que se generen.

3. Adquisición de datos: Recolectar, procesar, almacenar y mostrar la información recibida en forma continúa desde los equipos de campo.

4. Generación de reportes: Con los datos adquiridos se pueden generar representaciones gráficas, predicciones, control estadístico, gestión de la carrera, gestión administrativa, entre otras.

5. Representación de señales de alarma: A través de las señales de alarma se logra alertar al operador frente a una falla o la presencia de una condición perjudicial o fuera de lo aceptable, estas pueden ser tanto visuales como sonoras.

Naturaleza de la Investigación La presente investigación se considera un proyecto factible ya que representa una propuesta a un modelo operativo viable y que utiliza como referencia investigaciones documentales y de campo relacionadas con el tema en particular. El estudio desarrollará una solución para solventar una

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problemática que se presenta en la realidad. Adicionalmente el presente estudio se apoyará en una investigación de campo porque los datos se recolectarán directamente de la realidad donde ocurren los hechos.

ESPECIFICACIÓN DE LA PROPUESTA El análisis e interpretación de los resultados obtenidos se realizó de acuerdo a los objetivos de la investigación y al procedimiento descrito en el marco metodológico. Permitiendo determinar y establecer un Sistema de monitoreo para el recorrido de la pista del vehículo de la formula SAE-UFT, apoyándonos en referencias documentales, papers, material bibliográfico sobre Sistemas antes realizados, con el fin de garantizar que la propuesta del modelo sea el correcto, aportándolo como una alternativa de solución a la necesidad encontrada, a continuación se desarrollan las tres fases de la investigación, en función de los resultados obtenidos.

La naturaleza de la presente investigación es de campo, descriptiva y documental, razón por la cual la observación directa en el área de la actividad en estudio permitió diagnosticar y establecer las pautas a seguir para diseñar el sistema de monitoreo para el recorrido de la pista del vehículo de la formula SAEUFT, presentado como una alternativa de solución a la problemática y necesidades planteadas en el Capitulo I, con la finalidad de determinar los requerimientos mínimos que se deben cumplir con el diseño propuesto de una manera eficiente y dentro de las normas establecidas por los organismos reguladores locales, nacionales e internacionales.

Fases de la Investigación Diagnóstico Gran parte de la información necesaria para esta parte fue suministrada por estudiantes de la universidad Fermín Toro, específicamente de la especialidad mecánica la cual posee un grupo encargado del proyecto de la formula SAE cuyo objeto fundamental es encargarse de la construcción, conservación y desarrollo integral del vehículo de la formula SAE-UFT, así como el desarrollo integral de los servicios, tecnológicos que poseerá el vehículo, al igual que el desarrollo y ejecución de planes, proyectos, entre otros aportes que beneficiaran la formula SAE en nuestro país.

Con las entrevistas realizadas al grupo de especialistas asesores del proyecto formula SAE UFT se pudo determinar las características y funciones que debe tener el sistema de monitoreo requerido por el vehículo para que capture y envié en tiempo real la ubicación dentro de la pista para tener el control del recorrido e indicar las acciones correctivas o preventivas para mejor el rendimiento del mismo.

Tomando como fundamento lo antes descrito se recomienda una alternativa de monitoreo con tecnología inalámbrica para transmitir a la cabina de control el recorrido en la pista del vehículo de la formula SAE-UFT.

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Factibilidad Factibilidad Técnica La elaboración del prototipo en software de modelado, así como de su futura implementación se considera factible desde el punto de vista técnico y operativo, ya que se cuentan con los recursos necesarios para la elaboración de la alternativa propuesta, prueba e implementación de la misma. Entre los mencionados recursos se pueden mencionar la mano de obra especializada, herramientas de software para desarrollo del modelado, componentes electrónicos, equipos de medición, entre otros.

Adicionalmente se cuenta con la información documental de soporte necesaria, entre la que podemos destacar manuales, hojas de especificaciones, información referencial obtenida durante el proceso de levantamiento de información (bases teóricas, antecedentes y diagnostico de las condiciones del área en estudio).

Factibilidad Económica Este aspecto está relacionado con la parte de inversión monetaria que se requiere para desarrollar e implementar el prototipo del sistema propuesto, esta inversión tiene que ver con la adquisición de los recursos necesarios, tales como materiales, componentes electrónicos y herramientas, mano de obra calificada y demás suministros necesarios para culminar el diseño y desarrollo de la alternativa planteada, para lo cual se cuenta con la aprobación de la Insitucion y de Empresas patrocinantes.

Diseño de la Alternativa Propuesta El diseño del sistema de monitoreo para el recorrido en la pista del vehículo de la formula SAEUFT, consta de una secuencia de etapas dirigidas a generar una respuesta rápida y satisfactoria en pro del buen cumplimiento de los objetivos planteados, de esta manera el diseño de la alternativa se ha estructurado en entidades funcionales o módulos interrelacionados entre sí, los cuales integrados como un todo permiten que se lleve a cabo el funcionamiento del sistema de monitoreo, a continuación se muestra el diagrama de bloques y la descripción de cada una de sus partes:

Figura N° 7: Diagrama de bloques del sistema

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Unidad de adquisición de datos se encarga de recibir la señal del sensor de ubicación geográfica del móvil previamente acondicionada por el conversor analógico digital ADC0809, la misma será enviada a la unidad transmisora para realizar el envió de la información vía radio frecuencia. La parte central está representada por el microcontrolador AT89C51 (ver figura 8) NOTA: Vcc pin40 GND pin20

VCC 22pF

31 19

22pF

EA/VP

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7

X1

11 MHz 18 9

X2 RESET

10uF 10K

12 13 14 15

VCC

1 2 3 4 5 6 7 8

INT0 INT1 T0 T1

AT89C51

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 RD WR PSEN ALE/P TXD RXD

39 38 37 36 35 34 33 32

ADC0809

21 22 23 24 25 26 27 28 17 16 29 30 11 10

Figura N° 8: Diagrama Microcontrolador AT89C51 El convertidor ADC0809 recibe la señal analógica enviada por el sensor de ubicación geográfica y la lleva formato digital de ocho bits que es la cantidad de bits que tiene un bus de dato del microprocesador AT89C51. El convertidor analógico digital ADC0809 tiene una capacidad de manejar ocho canales de entrada analógicas bajo el principio de multiplexión para la selección del canal activo, requiere una señal de reloj para su funcionamiento y en los pines de D0 al D7 corresponden al bus de datos de salida (ver figura 9).

U? SENSOR

26 27 28 1 2 3 4 5 12 16 10

pin 30 VCC

9 7

IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

REF+ REF-

A0 A1 A2

CLK OE EOC

START ALE

17 14 15 8 18 19 20 21

P0 AT89C51

25 24 23 6 22

P3.7

ADC0809

Figura N° 9: Diagrama convertidor ADC0809 El módulo de transmisión en RF, recibe de la unidad de adquisición la información en formato

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digital de 8 bit correspondiente al valor captado por el sensor y la información de identificación, la cual está relacionada con el parámetro censado y el transmisor origen para ser enviada vía radio frecuencia.

Esta unión de datos resultante es la que denominados trama y va a permitir diferenciar la información recibida para su posterior procesamiento.

Para el envió de la trama de datos se utiliza la tarjeta ST-TX01-ASK (ver figura 10) del fabricante SUMMINTEK Technology Co.,Ltd, la cual trabaja a 315 y 433.92 Mhz (frecuencia utilizada para los radioaficionados) y es un modulo de transmisión hibrido con modulación ASK (modulación por desplazamiento de amplitud); en los anexos se muestra la hoja técnica suministrada por el fabricante.

Figura N° 10: Diagrama del transmisor RF La unidad de recepción en RF, recibe la información proveniente de la unidad transmisora y la pasa a la interface de comunicación serial para ser enviadas al computador donde reside el sistema SCADA para que realice el mapeo del recorrido del vehículo y emita las acciones sugeridas en un determinado momento.

De forma análoga a la unidad transmisora la misma está representada por la tarjeta ST-RX02-ASK (ver figura 11) del fabricante SUMMINTEK Technology Co.,Ltd, la cual trabaja a 315 y 433.92 Mhz y es un modulo de recepción hibrido con modulación ASK (modulación por desplazamiento de amplitud); en el anexo F se muestra la hoja técnica suministrada por el fabricante.

Figura N° 11: Diagrama del receptor RF

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A continuación se muestra un diagrama de flujo donde se especifica el funcionamiento lógico que rige al sistema de monitoreo propuesto.

Figura N° 12: Diagrama de flujo del sistema

Conclusiones 1. Se determinó cada una de las etapas que integran el sistema de monitoreo propuesto para realizar el seguimiento al recorrido del vehículo formula SAE UFT. 2. La alternativa de monitoreo propuesta al equipo formula SAE UFT se considera factible técnicamente, operativa y económicamente por satisfacer todas las consideraciones plasmadas desde estos puntos de vista Recomendaciones Como complemento para ampliar y mejorar la solución recomendada, se indican las siguientes recomendaciones: 1. Realizar montaje del sistema propuesto.

2. Luego de realizar el montaje de la alternativa propuesta realizar pruebas de funcionabilidad para evaluar el rendimiento.

3. Realizar los ajustes pertinentes, para colocar en funcionamiento el sistema de monitoreo.

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SISTEMA DE TELEMETRÍA PARA LA EVALUACIÓN DEL ESTADO DE LAS PRINCIPALES VARIABLES DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN DEL MONOPLAZA DEL EQUIPO FSAE UFT, UTILIZANDO LA TECNOLOGÍA DE RADIOFRECUENCIAS

Autor: José M. Pérez Ingeniería de Telecomunicaciones fsaeuft@hotmail.com Año: 2012 RESUMEN

El presente Trabajo de Grado se apoya en la línea de investigación de análisis, diseño y construcción de dispositivos electrónicos útiles para la detección, monitoreo y transmisión de parámetros como instrumento de beneficio colectivo; en el Polo II hombre, ciudad y territorio y en el eje conceptual electrónica aplicada a las telecomunicaciones, el cual está centrado en el diseño y construcción de un Sistema de Telemetría para la evaluación del estado de las principales variables del motor de combustión del monoplaza del equipo FSAE UFT, utilizando la tecnología de radiofrecuencias. En la actualidad, el equipo no cuenta con un sistema que le permita conocer el estado del motor del monoplaza cuando este se encuentre en pista o competencia. Se desarrolló un sistema compuesto por dos estaciones; estación remota y estación base. La estación remota captará los datos requeridos para enviarlos, mediante radiofrecuencias, a la estación base, que se encontrará conectada a una computadora en la cual el equipo técnico de FSAE UFT podrá visualizar los datos medidos. Descriptores: Formula SAE, Redes de Telecomunicaciones, Radiofrecuencias, Sistema de Telemetría.

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Introducción En la actualidad, estos grandes avances incluyen sistemas que permiten al usuario controlar remotamente y vigilar procesos de forma más eficiente y cómoda que como se solía hacer anteriormente, a la vez que puede ayudar a la detección de fallas y anomalías en tales procesos. Estos sistemas, llamados de monitoreo, han ido evolucionando también, ofreciendo cada vez mayor precisión y eficiencia, seguridad, manejando mayores distancias y procesos cada vez más complejos.

En la siguiente investigación se muestra cómo se realizará el diseño de un sistema de monitoreo para evaluar las variables principales que afectan el rendimiento del motor para el monoplaza del equipo FSAE UFT, con la finalidad de crear un prototipo factible el cual monitoreará tales parámetros del vehículo.

Sistema de Monitoreo El automovilismo se refiere al uso de los automóviles de una forma deportiva y es uno de los deportes más populares a nivel mundial. Esta disciplina deportiva involucra empresas, fabricantes, deportistas, ingenieros y patrocinantes. Los ingenieros son los encargados de desarrollar las últimas tecnologías en motores, aerodinámica, suspensión, neumáticos, chasis y telemetría, para lograr el máximo rendimiento posible del vehículo. Los avances en este amplio campo han beneficiado a la industria automotriz, dotando de últimas tecnologías a los coches competidores.

En Venezuela, a partir de 1949, el automovilismo comenzó a estar presente, dando inicio a grandes carreras como el Gran Premio Rafael Urdaneta, la Vuelta a Aragua, la Vuelta a la Laguna en Valencia, mientras que a nivel internacional venezolanos dominaron en la carrera Gran Colombiana, además de participar asiduamente en la Carrera Panamericana realizada en México, y más actualmente, en la Formula 2, Formula Renault y Formula 3000. También, la construcción del Autódromo Internacional de San Carlos, que es el único en Venezuela que cumple los estándares para ser reconocido a nivel mundial, siendo la pista más rápida de América, y reconocido además por las famosas carreras automovilísticas y motociclistas que se realizan regularmente.

A nivel mundial, la Federación Internacional de Automovilismo (FIA), es la encargada de regular y controlar toda competencia oficial, y a su vez mantener el orden y clasificación de las distintas categorías de competencia. La clasificación más sencilla y seguida es por tipo de vehículo, donde incluimos los monoplazas, rally, turismo y gran turismo.

Los monoplazas son vehículos diseñados especialmente para competición: poseen alerones y neumáticos anchos y las ruedas no están por lo general cubiertas. Son vehículos muy bajos, y solamente hay lugar para una persona (por ello se le llama monoplaza).La Fórmula 1 es la categoría más

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popular de competencia de monoplazas, donde también conseguimos la IndyCar Series, Fórmula 2 y 3, GP2, Fórmula Renault, Fórmula BMW y Fórmula Ford.

Actualmente, FSAE UFT trabaja en el diseño y construcción del monoplaza para representar a la Universidad Fermín Toro en dicha competencia, y gran parte del proceso se basa en la puesta a punto del coche, por lo que el equipo debe ser capaz de medir los parámetros clave que inciden en el rendimiento del vehículo, para poder realizar ajustes en caso de ser necesarios.

Para solventar esta necesidad, se diseño un sistema de telemetría que pueda transmitir los datos más importantes del motor del monoplaza, como lo son la presión, temperatura, voltaje de la batería, nivel de gasolina y revoluciones por minuto, a los integrantes del equipo técnico que supervisa el coche, lo que se convertirá en una herramienta útil para la evaluación de tales parámetros durante las competencias.

Objetivo General Diseñar un sistema de telemetría para evaluar las principales variables del motor de combustión del monoplaza del equipo FSAE UFT. Objetivos Específicos 1. Diagnosticar la necesidad de implementar un sistema de telemetría para las principales variables del motor del monoplaza FSAE UFT. 2. Seleccionar una alternativa de diseño que cumpla con los parámetros de SAE Internacional y Formula SAE. 3. Realizar el estudio de factibilidad técnica, operativa y económica para el sistema de telemetría para las principales variables del motor del monoplaza FSAE UFT. 4. Determinar los módulos necesarios para el desarrollo de un sistema de telemetría para las principales variables del motor del monoplaza FSAE UFT. Justificación Con este proyecto se favorecerá el desarrollo tecnológico del equipo FSAE UFT, situando al mismo como modelo a seguir entre las universidades a nivel nacional. Para ello, se tomó en cuenta la urgencia y necesidad de un sistema de telemetría de los parámetros más importantes en el rendimiento del motor del monoplaza (temperatura del motor, nivel de gasolina, voltaje de la batería, presión del

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motor, y revoluciones por minuto), que debe detectar tales valores para luego transmitirlo a una computadora de control, donde la información será evaluada por el equipo técnico.

Con la implementación de esta propuesta, se le proporcionará al equipo técnico de FSAE UFT la trasmisión de una cantidad de datos en un tiempo determinado, a través de un dispositivo para la evaluación de variables, con lo que se pretende optimizar el trabajo técnico y reducir el tiempo de reacción ante posibles fallas en el monoplaza.

Telemetría La telemetría es una tecnología que permite la medición remota de magnitudes físicas y el posterior envío de la información hacia el operador del sistema. Fue desarrollada en 1915, a mediados de la primera guerra mundial, por el alemán Khris Osterhein y el italiano Franchesco Di Buonanno para medir a qué distancia se encontraban objetivos de artillería.

La palabra telemetría procede de las palabras griegas τ λε (tele), que quiere decir a distancia, y la palabra µετρον (metron), que quiere decir medida.

El envío de información hacia el operador en un sistema de telemetría se realiza típicamente mediante comunicación inalámbrica, aunque también se puede realizar por otros medios (teléfono, redes de ordenadores, enlace de fibra óptica, etcétera). Los sistemas de telemetría reciben las instrucciones y los datos necesarios para operar mediante desde el Centro de Control.

Sistemas de Telemetría Los sistemas de telemetría son los encargados de realizar mediciones en un punto remoto para luego transmitirlo a un centro de control; el equipo utilizado en cualquier sistema de telemetría debe ser capaz de medir una magnitud física, producir una señal que pueda modificarse de alguna manera para transportar los datos medidos y transmitir esa señal codificada por algún tipo de canal de transmisión.

La medición a distancia es, sin embargo, relativa, ya que la telemetría también se utiliza para obtener información en lugares cercanos pero de acceso difícil, peligroso e incluso imposible.

Aplicaciones Como ya se mencionó la telemetría es usada para tomar una medida de una variable física presente en algún proceso, y observarla en un punto remoto.

Existen diferentes formas de enviar la medida resultante; actualmente la manera de hacerlo es inalámbricamente, además de ser novedosa es necesaria en procesos donde en tendido de cables es

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dificultosa, o donde la inclusión de cables es imposible; no solamente para telemetría la comunicación inalámbrica es ventajosa, si no para otras aplicaciones donde también hay transferencia de datos, es por ello que la principal virtud de un sistema de telemetría es el envío de datos

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Componentes del Sistema de Telemetría Los sistemas de telemetría están compuestos por diferentes elementos, y varían dependiendo de la aplicación, pero en general su estructura está constituida por nodos, encargados de hacer la medición de las variables físicas, y de un centro de monitoreo y control.

En un nodo se encuentra básicamente lo siguiente: Sensor: se llama sensor al instrumento que produce una señal, usualmente eléctrica (anteriormente señales hidráulicas), que refleja el valor de una propiedad, mediante alguna correlación definida (su ganancia). En términos estrictos, un sensor es un instrumento que no altera la propiedad censada. Por ejemplo, un sensor de temperatura sería un instrumento tal que no agrega ni cede calor a la masa censada, es decir, en concreto, sería un instrumento de masa cero o que no hace contacto físico con la masa a la que se debe medir la temperatura (un termómetro de radiación infrarroja, p.e.); la señal eléctrica generada por lo general es débil y debe ser amplificada.

Acondicionamiento de la señal generada por el sensor: la señal producida por el sensor la mayoría de las veces está en unos rangos que no pueden ser directamente acopladas al sistema procesador o de almacenamiento, por lo que se hace necesario adecuarlas a niveles apropiados, antes de ser procesadas, la manera de hacerlo es usando circuitos especiales para ponerlas en rango de trabajo.

Sistema de procesamiento y/o de almacenamiento: es el encargado de recibir las señales provenientes de los sensores, previo acondicionamiento, y realizar algún tipo de proceso para transmitirlo, almacenarlo o los dos casos, dependiendo de la aplicación o de las necesidades del sistema.

Sistema de comunicación de datos: una vez procesadas las señales producidas por el sensor, estas deben ser transmitidas, por un canal que puede ser guiado o no, hacia un centro de control para ejecutar una acción predeterminada. Para realizar el envío de datos debe usarse un protocolo que permita transmitir diferentes señales en el caso de existir varios nodos que quieran acceder al canal; eso dependerá de la arquitectura del sistema; también puede contar con un dispositivo receptor que reciba la información del centro de control, para obedecer una orden.

Sensores El sensor (también llamado sonda o transmisor) convierte una magnitud física (temperatura, revoluciones del motor, etc.) o química (gases de escape, calidad de aire, etc.) que generalmente no son señales eléctricas, en una magnitud eléctrica que pueda ser entendida por la unidad de control. La señal eléctrica de salida del sensor no es considerada solo como una corriente o una tensión, sino también se consideran las amplitudes de corriente y tensión, la frecuencia, el periodo, la fase o asimismo la

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duración de impulso de una oscilación eléctrica, así como los parámetros eléctricos "resistencia", "capacidad" e "inductancia".

El sensor se puede presentar como un "sensor elemental" o un "sensor integrado" este ultimo estaría compuesto del sensor propiamente dicho más la parte que trataría las señales para hacerlas comprensibles por la unidad de control. La parte que trata las señales generadas por el sensor (considerada como circuitos de adaptación), se encarga en general de dar a las señales de los sensores la forma normalizada necesaria para ser interpretada por la unidad de control.

Existen un gran número de circuitos de adaptación integrados, a la medida de los sensores y ajustados a los vehículos respectivos (ver figura 2).

Figura 2Sensores utilizados en un automóvil Fuente: [http://www.mecanicavirtual.org/sensores.htm] Clasificación Los sensores para automóviles pueden clasificarse teniendo en cuenta distintas características como son:

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Según su Función y Aplicación

Sensores funcionales, destinados principalmente a tareas de mando y regulación Sensores para fines de seguridad y aseguramiento (protección antirrobo) Sensores para la vigilancia del vehículo (diagnosis de a bordo, magnitudes de consumo y desgaste) y para la información del conductor y de los pasajeros.

Según la Señal de Salida Los que proporcionan una señal analógica (ejemplo: la que proporciona el caudalímetro o medidor de caudal de aire aspirado, la presión del turbo, la temperatura del motor etc.)

Los que proporcionan una señal digital (ejemplo: señales de conmutación como la conexión/desconexión de un elemento o señales de sensores digitales como impulsos de revoluciones de un sensor Hall) Los que proporcionan señales pulsatorias (ejemplo: sensores inductivos con informaciones sobre el número de revoluciones y la marca de referencia)

Particularidades de los Sensores del Automóvil A diferencia de los sensores convencionales, los utilizados en el sector del automóvil están diseñados para responder a las duras exigencias que se dan en el funcionamiento de los vehículos a motor, teniendo en cuenta una serie de factores como lo son: Alta Fiabilidad Con arreglo a sus funciones, los sensores para el sector del automóvil se pueden ordenar en tres clases de fiabilidad según su importancia: Dirección, frenos, protección de los pasajeros Motor/cadena cinemática, tren rodaje/neumáticos Confort, diagnosis, información y protección contra el robo.

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Las exigencias más altas en el sector del automóvil se corresponden con las exigencias que se utilizan en los sectores de la aeronáutica y astronáutica. La fiabilidad de los sensores es garantizada por técnicas de construcción que utilizan componentes y materiales sumamente seguros. Se procura la integración consecuente de los sistemas para evitar en lo posible conexiones separables y el riesgo de fallos en los mismos. Cuando es necesario, se emplean sistemas de sensores redundantes (sensores de igual función que, por razones de seguridad, efectúan mediciones paralelas).

Bajos Costes de Fabricación Los automóviles actuales poseen a menudo de 60 a 70 sensores. Comparado estos sensores con otros utilizados en otros campos, tienen un reducido coste de fabricación. Estos costes pueden llegar a ser: hasta 100 veces inferior al coste de fabricación de sensores convencionales de igual rendimiento.

Como excepción están los sensores que pertenecen a nuevas tecnologías que se aplican al automóvil, los costes iniciales de estos son normalmente más altos y van luego disminuyendo progresivamente.

Duras Condiciones de Funcionamiento Los sensores se hallan en puntos particularmente expuestos del vehículo. Están sometidos por tanto a cargas extremas y han de resistir toda clase de esfuerzos: Mecánicos (vibraciones, golpes) Climáticos (temperatura, humedad) Químicos (ejemplo: salpicaduras de agua, niebla salina, combustible, aceite motor, acido de batería) Electromagnéticos (irradiaciones, impulsos parásitos procedentes de cables, sobretensiones, inversión de polaridad).

Por razones de eficacia los sensores se sitúan preferentemente en los puntos donde se quiere hacer la medición, esta disposición tiene el inconveniente de que el sensor está más expuesto, a interferencias de todo tipo, como las enumeradas anteriormente.

Alta Precisión Comparada con las exigencias impuestas a los sensores de procesos industriales, la precisión requerida de los sensores del automóvil es, salvo pocas excepciones (ejemplo: sondas volumétricas de aire), más bien modesta. Las tolerancias admisibles son en general mayor o igual a 1% del valor final del alcance de medición, particularmente teniendo en cuenta las influencias inevitables del envejecimiento.

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Para garantizar la alta precisión, es suficiente de momento (hasta cierta medida) disminuir las tolerancias de fabricación y refinar las técnicas de equilibrado y compensación. Un avance importante vino con la integración híbrida o monolítica del sensor y de la electrónica de tratamiento de señales en el punto mismo de medición, hasta llegar a obtener circuitos digitales complejos tales como los convertidores analógico-digitales y los microordenadores.

Microcontrolador

Un microcontrolador es un circuito integrado programable que acepta un listado de instrucciones y contiene todos los componentes de un computador. Se utilizan para realizar determinadas tareas o para gobernar dispositivos, debido a su reducido tamaño, suele ir incorporado en el propio dispositivo que gobierna.

El microcontrolador es un dispositivo dedicado. En su memoria solo reside un programa destinado a gobernar una aplicación determinada, sus líneas de entradas y salidas (I/O) permiten la conexión de sensores, relay, motores, etc. Una vez programado y configurado el microcontrolador solamente sirve para gobernar la tarea asignada.

Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes: Procesador o CPU (Unidad Central de Proceso). Memoria RAM para Contener los datos.

Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM/EEPROM & FLASH Líneas de (entrada / salida) para comunicarse con el exterior.

Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertos Serie y Paralelo, A/D y D/A, etc.).

Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema.

Microcontrolador PIC16F877a El microcontrolador PIC16F877apertenece a una gran familia de microcontroladores de 8 bits, cuyas características de arquitectura Harvard, tecnología RISC y tecnología CMOS lo distinguen de los demás, siendo altamente efectivo en el uso de memoria de datos y programación y por lo tanto, superior a muchos en velocidad de ejecución. En la figura 3 se muestra el diagrama de pines del PIC16F877a, mientras que en el cuadro 1 se pueden observar las especificaciones básicas del PIC.

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Figura 3Diagrama de pines del PIC16F877a Fuente: [http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/1730/1/CD-2337.pdf]

Radio Propagación Según la guía de estudio del profesor Dimas Mavare, existen diferentes formas en que las ondas pueden propagarse en el espacio. Aunque las ondas electromagnéticas viajan en línea recta, su trayectoria rectilínea puede ser alterada por la tierra y la atmosfera. Existen tres formas de propagación de las ondas electromagnéticas en el espacio: ondas de tierra, ondas de espacio y ondas de cielo (ver figura 6).

Figura 6: Formas de propagación de las ondas electromagnéticas Fuente: Hernando (2003).

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Ondas Ondas Electromagnéticas Según Tomasi (2003) una onda electromagnética se produce por la aceleración de una carga eléctrica. Fueron descubiertas por James C. Maxwell y es lo que se conoce como la perturbación simultánea de los campos eléctricos (E) y magnéticos (H) existentes en una misma región (ver figura 7). Las ondas originadas por los campos eléctricos y magnéticos son de carácter transversal, encontrándose en fase, pero estando las vibraciones accionadas en planos perpendiculares entre sí.

Figura 7 Campos E y H de una Onda Electromagnética Fuente: [http://www.seti.cl/curso-de-radioastronomia-basica-de-jet-propulsionlaboratory-jpl-capitulo-2/] Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio, y sus aspectos teóricos están relacionados con la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell. A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse; es decir, pueden desplazarse por el vacío.

Ondas Terrestres Son aquellas que se propagan sobre la superficie de la Tierra, y debido a que esta tiene resistencia y perdidas dieléctricas, las ondas electromagnéticas se propagaran mejor sobre una superficie que sea un buen conductor, como agua salada y aéreas desérticas muy áridas. Deben tener polarización vertical, ya que la tierra es un medio conductor, que desvanece la componente tangencial del campo. Las pérdidas producidas por la tierra aumentan rápidamente con la frecuencia, lo que limita a este tipo de propagación a frecuencias por debajo de los 2 MHz (desde los 15 KHz). Las ondas de

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tierra se usan normalmente para comunicación barco a barco o barco a costa, para radio navegación y para comunicaciones marítimas móviles.

Este tipo de ondas tiene como desventajas que requieren potencias de transmisión relativamente altas, están limitadas a LF Y VLF, necesitan antenas grandes y las perdidas varían considerablemente con el material en que se propaga.

Ondas de Espacio Son las que se propagan en la parte inferior de la atmosfera, incluyen ondas directas, y reflejadas sobre la superficie de la Tierra. La propagación de ondas espaciales con ondas directas se denomina también transmisión de línea de vista y está limitada por la curvatura de la Tierra. Sin embargo, la comunicación se puede lograr usando ondas espaciales sin tener línea de vista, por medio de fenómenos de difracción o dispersión.

Dependiendo de la distancia existente entre las antenas transmisora y receptora, se resta energía a la señal emitida por los obstáculos que se oponen a su paso (arboles, edificios, montanas, etc.), y por la fase con la que lleguen las ondas directa y reflejada. Si es alta la frecuencia de propagación, a mayor distancia de la antena emisora, será mayor la pérdida o atenuación de la energía de propagación de la onda, debido al poder de absorción del medio de propagación.

Ondas Ionosféricas y/o Ondas de Cielo Estas ondas se envían hacia el cielo, donde son reflejadas o refractadas nuevamente a Tierra por la ionosfera. Generalmente se radian con ángulos grandes respecto a la tierra. La ionosfera es la porción más alta de la atmosfera de la Tierra, por lo que absorbe grandes cantidades de energía radiante del sol, que ioniza las moléculas del aire, creando electrones libres, se ubica aproximadamente desde 50 hasta 400 kilómetros sobre la superficie de la Tierra. Cuando una onda pasa a través de la ionosfera, el campo eléctrico de la onda ejerce una fuerza en los electrones libres, haciéndolos vibrar, lo cual reduce la corriente, que es equivalente a reducir la constante dieléctrica.

Tipos de Propagación de Ondas Electromagnéticas Propagación por Onda Directa o Línea de Vista En este tipo de propagación, las ondas de radio parten del transmisor y llegan directamente al receptor en línea recta. Para que se establezca este tipo de enlace se necesita que haya visibilidad óptica entre el emisor y el receptor. Esta propagación se utiliza sobre todo en altas frecuencias, por encima de los 50 MHz, pues las altas frecuencias se ven menos afectadas por los fenómenos atmosféricos, además de requerir antenas de longitud más pequeña. Además, para estas altas frecuencias se puede 151

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generar un haz de ondas muy dirigido, lo que evita que la información llegue a lugares no deseados, garantizando así un relativo secreto en las comunicaciones. Este tipo de propagación se da, por ejemplo, en televisión y en radio FM, así como en las comunicaciones de la policía, bomberos, ambulancias, empresas privadas, etc.

En este tipo de propagación, también se pueden dar las ondas reflejadas a tierra, que son las que se reflejan por la superficie terrestre entre la antena transmisora y receptora. Ésta es la forma más utilizada en la propagación de las ondas de radio, y sólo puede utilizarse en distancias pequeñas.

Propagación por Onda Terrestre o Curvatura de Tierra En esta propagación, las ondas siguen la curvatura de la Tierra y su orografía. De esta forma pueden salvar montañas y alcanzar una considerable distancia antes de ser absorbidas por el propio suelo. Este tipo de propagación se da en frecuencias bajas, inferiores a los 4 MHz, siendo mayor el alcance para frecuencias más bajas. Este tipo de propagación se da en emisoras de radiodifusión de onda media y onda larga. La propagación más común en emisoras de onda media y onda larga para cubrir grandes distancias.

Propagación por Onda Reflejada o Ionosférica Este es el tipo de propagación más importante. Aquí influye la ionosfera, que es una capa atmosférica situada entre los 40 km y los 320 km, y está formada por aire enrarecido fuertemente ionizado por la radiación solar. Cuando esta capa se halla eléctricamente cargada, se produce una refracción o desviación de la trayectoria de las ondas de radio que se va repitiendo y se convierte en una reflexión actuando a modo de espejo que devuelve las ondas a la tierra. Esta reflexión puede salvar la curvatura de la Tierra y permitir así la comunicación entre dos estaciones que disten varios miles de kilómetros. Se puede llegar así a una distancia superior a los 4000 km.

A veces ocurre que la Tierra refleja también las ondas de radio hacia la ionosfera, que a su vez vuelve a reflejarlas otra vez a la tierra, y así sucesivamente, incrementando la distancia en cada salto. De esta forma se puede comunicar con cualquier punto del planeta si se dan las condiciones necesarias. A este tipo de reflexión se le denomina "reflexión múltiple".

Espectro Radioeléctrico Las ondas de radio se suele clasificar según su longitud de onda y/o su frecuencia y al conjunto de todas ellas se les llama espectro radioeléctrico. Es un recurso natural, que constituye un bien de dominio público, de carácter limitado y sobre el cual el Estado ejerce su soberanía. Según la enciclopedia Técnico en Telecomunicaciones Tomo 1 (2002), el espectro radioeléctrico no es más que

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la normalización de las distintas bandas que existen en las diferentes formas de transmisión (ver cuadro 2).

Cuadro 2 Designación de banda según el Comité Consultivo Internacional de Radio (CCIR) Band a 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9

Designación ELF (frecuencias extr. bajas) VF (frecuencias de voz) VLF (frecuencias muy bajas) LF (bajas frecuencias) MF (frecuencias intermedias) HF (frecuencias altas) VHF (frecuencias muy altas) UHF (frecuencias ultra altas) SHF (frecuencias súper altas) EHF (frecuencias extr. altas) Luz Infrarroja Luz Infrarroja Luz Infrarroja Luz Visible Luz Ultravioleta Rayos X Rayos Gamma Rayos Cósmicos

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Intervalo 30 Hz – 300 Hz 300 Hz – 3 KHz 3 KHz – 30 KHz 30 KHz – 300 KHz 0.3 MHz – 3 MHz 3 MHz - 30 MHz 30 MHz - 300 MHz 300 MHz – 3 GHz 3 GHz – 30 GHz 30 GHz – 300 GHz 0.3 THz – 3 THz 3 THz – 30 THz 30 THz – 300 THz 0.3 PHz – 3 PHz 3 PHz – 30 PHz 30 PHz – 300 PHz 0.3 EHz – 3 EHz 3 EHz – 30 EHz

Longitud de Onda 10000 Km – 1000 Km 1000 Km – 100 Km 100 Km – 10 Km 10 Km – 1 Km 1 Km – 100 m 100 m – 10 m 10 m – 1 m 1 m – 100 mm 100 mm – 10 mm 10 mm – 1 mm <1 mm <1 mm <1 mm <1 mm <1 mm <1 mm <1 mm <1 mm

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Fuente:Tomasi (2003) Características de Propagación de acuerdo al Espectro Radioeléctrico Para definir las características de la propagación de acuerdo al espectro radioeléctrico, el profesor Dimas Mavare en su guía de estudio, lo clasifica en tres grandes grupos: En Frecuencias de 0 a 3 MHz: 1. Las ondas siguen la curvatura de la tierra.

2. Poseen baja capacidad de información.

3. La atenuación depende de la conductividad del medio. Es alta para la tierra, lo que obliga a utilizar altos niveles de potencia, siendo más baja en el mar.

4. Antenas grandes y en contacto con la superficie terrestre.

5. Independencia de condiciones climatológicas.

6. Reflexión nocturna en la ionosfera (para MF), lo que permite alcanzar grandes distancias. De día (a causa de la luz solar) se forma una capa en la parte inferior de la ionosfera (80 a 100 Km) que absorbe las MF. En Frecuencias de 3 a 30 MHz: 1. Propagación de onda superficial altamente atenuada.

2. Propagación por reflexión de la ionosfera. Los gases en la ionosfera están expuestos a la radiación ultravioleta del sol, y sus moléculas liberan electrones que se convierten en iones positivas, y cuya densidad aumenta con la altura. Para determinada concentración de electrones por metro cúbico existe una frecuencia máxima que puede reflejarse en ella. Este medio se usó ampliamente en los enlaces internacionales para las comunicaciones punto a punto, antes de la aparición de los sistemas satelitales.

En Frecuencias de 30 a 300 MHz: 1. Las ondas no son reflejadas por la ionosfera.

2. La propagación superficial es despreciable.

3. Las ondas se refractan en la troposfera. La troposfera es aquella capa de la atmosfera que esta inmediatamente sobre la superficie terrestre, su altura es del orden de 10 Km.

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Radio La radiocomunicación es un medio de telecomunicación sustentado en ondas radioeléctricas; éstas son ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio sin guía artificial y cuyo límite superior de frecuencia se fija en 3.000 GHz. La onda modulada se envía al medio de propagación a través de una antena, la cual irradia energía en forma de ondas electromagnéticas. Se denomina radiación al flujo saliente de energía de una fuente cualquiera en forma de ondas electromagnéticas; se define la emisión como la radiación producida por una estación transmisora radioeléctrica.

Los órganos de transmisión, antenas y recepción contribuyen positivamente a la telecomunicación de la información. Sin embargo, el medio de transmisión introduce pérdidas y perturbaciones. El objetivo perseguido es que la potencia de la señal recibida supere un cierto margen con respecto a la señal de ruido y las interferencias para garantizar la calidad de la información recibida.

El alcance útil o la cobertura de la emisión radioeléctrica dependen del tipo y de la intensidad de la perturbación. Debido a la creciente utilización de las radiocomunicaciones, es muy frecuente que existan numerosas señales interferentes en el receptor. Adicionalmente, existen otras alteraciones de la señal como los multitrayectos, con lo cual hay que aplicar técnicas de recepción por diversidad y ecualización.

Los sistemas digitales de relevadores radioeléctricos (DRSS - como también se denominan estos enlaces) utilizan el principio de propagación radioeléctrica por onda espacial para la transmisión de la información a distancia. El gran volumen de información que se ha de transmitir mediante estos sistemas radioeléctricos requiere un gran ancho de banda, del cual sólo se dispone en la gama de frecuencias de microondas, gama que va aproximadamente de 1,5 GHz a 56 GHz. Los sistemas de radioenlaces de alta capacidad han de ser del tipo “visibilidad directa LOS (Line of Sight)” para conseguir que la transmisión sea estable y confiable.

Aun cuando se haya definido la banda de microondas para aplicaciones punto a punto partiendo de 1,5 GHz, es frecuente escuchar esta misma denominación para frecuencias ligeramente inferiores, como sucede con la banda de telefonía celular tradicional (850 MHz).

Para el caso de enlaces de microondas, la propagación con visibilidad directa es casi óptica y se ve facilitada por la utilización de antenas altamente directivas que hacen posible abarcar grandes distancias con potencias de transmisión relativamente bajas. El requisito de visibilidad directa limita la longitud del trayecto entre dos estaciones, a lo que también se llama longitud de salto o vano.

Los requisitos de baja potencia y gran anchura de banda de información descartan básicamente los sistemas de dispersión troposférica o ionosférica.

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Servicios de Radiocomunicaciones 1. Servicio Fijo, es el que se presta entre puntos fijos determinados.

2. Servicio Móvil, que se realiza con estaciones móviles entre sí o con una o más estaciones fijas 3. Servicio de Radiodifusión, caracterizado porque sus emisiones se destinan a la recepción directa por el público en general.

4. Servicios de radio determinación, radionavegación y radiolocalización (radar, GPS, VOR,...).

Tipos de Estaciones Dependiendo del servicio prestado por las estaciones de radiocomunicaciones, éstas se denominan: 1. Terrenal: Efectúa radiocomunicaciones terrenales, es decir, todas las estaciones están situadas en la superficie terrestre. Por tanto, las estaciones de los enlaces de microondas son estaciones terrenales.

2. Espacial: Se encuentra en el espacio (satélites, sondas espaciales, etc.)

3. Terrena: Situada en la tierra, pero se comunica con una estación espacial. puede utilizarse para control del satélite o como estación de comunicaciones.

Modos de Explotación del Servicio De acuerdo a la capacidad de transmisión de la información, los servicios se pueden clasificar según: Simplex: Permite transmitir en un único sentido de un canal de comunicaciones. Los sistemas paging o más coloquialmente conocidos como beeper, en donde un mensaje corto se difunde sobre un área de servicio (broadcast), funcionan en modo simplex, pues permiten en los terminales la recepción de mensajes, pero sin posibilidad de emitir confirmación o respuesta. También pertenecen a esta clasificación los servicios de radiodifusión pública (televisión VHF/UHF, radio AM/FM, TV vía satélite).

Half-dúplex: Permite transmitir en ambos sentidos pero no simultáneamente, pues utiliza un único canal de radio. Los radios del tipo push-to-talk (presione para hablar) y reléase-to-listen (suelte para escuchar) ofrecen un servicio half-duplex.

Full-dúplex: Permite transmitir simultáneamente en los dos sentidos del medio; para ello requiere utilizar dos canales de radio FDD (Frequencydivisionduplexing), uno para cada sentido de 156

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61 transmisión, o utilizar ranuras de tiempo diferentes en un único canal de radio TDD (Time divisionduplexing; típicamente utilizados en sistemas indoor por los retardos en la propagación).

Ejemplos de este tipo de servicio son los sistemas celulares, los enlaces satelitales de comunicación transoceánica, los enlaces de microondas para comunicar las estaciones base de los servicios móviles con el centro de conmutación (Mobile Switching Center - MSC).

Naturaleza de la Investigación El presente trabajo de grado tiene como propósito diseñar un sistema de telemetría para el monoplaza del equipo FSAE UFT, que permita la medición y visualización remota de las variables de combustión del motor del monoplaza mientras este se encuentre en pista. Esta investigación se ubica en la línea de investigación “Análisis, diseño y construcción de dispositivos eléctricos útiles para la detección, monitoreo y transmisión de parámetros de beneficio colectivo”.

Diseño del Proyecto Esta fase describe de manera detallada la estructura que servirá de base para diseñar el sistema de telemetría para la evaluación del estado de las principals variables del motor de combustión del monoplaza del equipo FSAE UFT, el cual se realizará de acuerdo a las 5 etapas siguientes: Primera Etapa: Elaboración de un módulo de adquisición de datos conformado por los sensores, el cual captará las variables del monoplaza de FSAE UFT. Segunda Etapa: Creación de un dispositivo de control conformado por un microcontrolador, el cual realizará todos los procesos para la toma de decisiones y monitoreo de las variables adquiridas.

Tercera Etapa: Diseño de un módulo de transmisión y recepción de datos, para la comunicación entre el monoplaza y el equipo técnico de FSAE UFT. Cuarta Etapa: Elaboración de una aplicación que permita la visualización de los datos recolectados por el sistema de telemetría.

Quinta Etapa: Realización de un módulo encargado de la alimentación de los otros módulos que integran el sistema.

Fases de la Investigación Diagnostico La fase de diagnóstico de la presente investigación se encarga de confirmar la necesidad de diseñar un sistema de telemetría para evaluar el estado de las principales variables del motor de 157

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combustión del monoplaza del equipo FSAE UFT. De esta manera, se realizó una visita a los laboratorios de mecánica de la Universidad Fermín Toro, lugar donde se lleva a cabo la construcción del monoplaza, para realizar observación directa del proceso. En una entrevista no estructurada realizada a Luis Arrieche, presidente de FSAE UFT, se conoció que el equipo actualmente se encuentra en proceso de diseño y construcción del monoplaza, y actualmente no poseen una herramienta que les permita medir parámetros clave sobre el estado del vehículo en todo momento, necesaria para la puesta a punto y optimización del coche durante las pruebas, e incluso, para el momento de la competencia.

Estudio de Factibilidad Factibilidad Técnica Se realizó una búsqueda de equipos relacionados con la propuesta del diseño. Se efectúo una revisión de proveedores existentes y de los recursos necesarios para la implementación del sistema de telemetría para evaluar el estado de las principales variables del motor de combustión del monoplaza del equipo FSAE UFT. Se logró verificar que en el país existen tiendas de electrónica que ofrecen disposición de dichos materiales para la elaboración del diseño. Se solicitaron presupuestos por medio de visitas a la sede y páginas web, para los equipos de los módulos de adquisición, control y transmisión de datos. El proyecto se considera técnicamente factible, ya que se cuenta con los recursos necesarios para implementar el mismo, tales como mano de obra, materiales, equipos y herramientas, además de herramientas de software para soportar el desarrollo de esta etapa.

Factibilidad Operativa Este proyecto está pensado para convertirse en una herramienta de fácil manejo y eficiente para los técnicos del equipo FSAE UFT, ya que les permitirá visualizar los parámetros medidos en una computadora. Por tal motivo, se debe dar al personal técnico un manual de usuario que indique las características y funcionamiento del sistema, además de un entrenamiento previo sobre el uso del mismo.

Por otra parte, cabe destacar que el mantenimiento y cuidado del sistema serán llevados a cabo por estudiantes de Ingeniería en Computación y de Telecomunicaciones que pertenecen a FSAE UFT, así que en caso de que llegara a ocurrir un desperfecto técnico o de necesitar mantenimiento el prototipo, bastará con los conocimientos básicos en el área de electrónica que poseen los estudiantes, ayudados por un manual preventivo para fallas y mantenimiento del sistema.

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Factibilidad Económica Evidenciada la disponibilidad de los equipos en empresas regionales y nacionales, es importante mencionar que el equipo FSAE UFT, como equipo universitario sin fines de lucro y al igual que los equipos de las demás universidades participantes, se vale de patrocinios de empresas regionales y nacionales para obtener los fondos necesarios para la construcción y armado del monoplaza, por lo que se cuenta con los recursos económicos para llevar a cabo cada una de las etapas del diseño del sistema de telemetría para evaluar el estado de las principales variables del motor de combustión del monoplaza.

Cuadro 3 Requerimientos de Hardware Cantida Nombre d2 Módem RF Xtend-PKG-R 1 PIC 16F877a 1 Pantalla de cristal líquido LCD de 16x2 1 Cristal 8MHz 1 Regulador de voltaje 7805 1 Sensor de temperatura LM35 2 Sensor de nivel LM3914 1 Convertidor Frecuencia/Voltaje LM2917 1 Sensor de presión MPX2050GP 1 Amplificador AD620 2 Barra de leds de 10 segmentos 3 Potenciómetro 25K 2 Potenciómetro 5K 1 Conector DB9 macho Max232 1 Diodo 1N4007 1 Resistencias varias 4 Condensadores varios 8 Fuente: Pérez (2011) En cuanto a herramientas de software, se utilizará Microsoft Visual Studio para la realización del módulo de visualización del sistema. El grupo UFT.net, gracias a una alianza educativa entre la Universidad Fermín Toro y Microsoft Corporation, ha otorgado licencias de ésta y otras aplicaciones para el desarrollo del monoplaza del equipo FSAE UFT.

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Es importante señalar que la implementación del proyecto será llevada a cabo por los estudiantes de ingeniería en computación y de telecomunicaciones que pertenecen al equipo FSAE UFT, lo que elimina los posibles costos por mano de obra e instalación del sistema.

Diseño del Proyecto El sistema de telemetría para evaluar el estado de las principales variables del motor de combustión del monoplaza del equipo FSAE UFT es un medio automatizado que será instalado dentro del monoplaza mencionado. El sistema se divide en una estación remota y una estación base. La estación remota tendrá diversos Módulos de adquisición de datos (sensores) que van conectados a un Módulo de control, el cual integra todos los datos medidos anteriormente para pasarlos al Módulo de transmisión de datos, que mediante un enlace en RF se encargará de hacer llegar la información a la antena receptora de la estación base, llevando la información adquirida a una computadora que cuenta con un software para visualización de los datos (ver figura 8).

Figura 8: Diagrama de bloques del Sistema Fuente: Pérez (2011).

En la figura No. 22 se muestra la ubicación de los módulos de alimentación, adquisición de datos, control y transmisión de datos para la estación remota.

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Figura 22 Esquema de conexión de los módulos dentro del vehículo Fuente: Pérez (2011).

Estación Base La estación base se refiere a aquellos módulos que se encuentran en la línea de pits donde se ubica el equipo técnico del equipo FSAE UFT, permitiéndoles el acceso a las variables medidas por la estación remota.

Módulo de Recepción de Datos

El módulo de recepción de datos está conformado por el módem Xtend-PKG-R de 900 MHz en modo de receptor, y mediante un cable serial, se conecta al puerto correspondiente en el computador que posee el equipo técnico.

Módulo de Visualización de la Estación Base La visualización en la estación base (línea de pits) se lleva a cabo mediante un software desarrollado en Microsoft Visual Studio 2010, que brinda a los técnicos mayor facilidad para observar los valores que necesitan conocer.

La pantalla principal del sistema de telemetría consiste en un formulario para la autenticación de usuarios, medida de seguridad para prevenir el ingreso al sistema de personas ajenas al equipo técnico de FSAE UFT (ver Figura 23).

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Figura 23 Pantalla principal del software Fuente: Pérez (2011) Al introducir las credenciales correctamente, se muestra una pantalla dividida en varias secciones: temperatura, nivel de fluidos, voltaje de la batería, presión del motor y revoluciones por minuto.

En cada una de estas secciones se muestra el valor medido por el sistema de telemetría (ver figura 24).

Figura 24 Pantalla de mediciones del software Fuente: Pérez (2011).

En la figura N°25 se presenta un gráfico de la posible conexión entre las antenas de las estaciones del sistema. La línea roja (línea de pits) es donde se ubicará el equipo técnico dentro de la pista. Cabe destacar que la ubicación exacta dentro de ésta línea no se conoce, ya que depende del momento en que el equipo técnico se presente ante las autoridades de SAE Internacional y Formula SAE en la pista. La línea azul representa la pista de competencia, es decir, por donde circulará el vehículo durante la carrera.

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Figura 25:Grafico de conexión de las antenas Fuente: Pérez (2011) Conclusiones 1. Se logró implementar un sistema de telemetría para la evaluación de las principales variables del motor del monoplaza, resultando que actualmente no existe ninguna herramienta que permita a los técnicos del equipo conocer el estado del vehículo durante su fase de construcción y posteriormente para las pruebas y competencia, por lo que se hace necesario un sistema como el propuesto en este proyecto.

2. El estudio de los parámetros establecidos por SAE Internacional y Formula SAE se realizó en base a los aspectos técnicos mínimos establecidos por ambas asociaciones en el manual oficial de reglas del año 2011, y en los aspectos a ser evaluados por los jefes de competencia en las inspecciones técnicas durante los eventos a participar.

3. Se determinó que el proyecto es factible, ya que se dispone del conocimiento, tiempo y tecnologías necesarias para el montaje del prototipo. Además, se cuenta con las tecnologías y recursos necesarios para que dicho prototipo sea realizable. El proyecto es también considerado factible económicamente dado que el costo de los componentes requeridos para su realización no es elevado y son de fácil adquisición en el mercado nacional.

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4. Se establecieron los módulos necesarios para el correcto funcionamiento del sistema de telemetría, teniendo módulos de adquisición de datos que fueron acoplados a un sistema de control que mediante un módulo de transmisión y recepción de datos, muestra los valores medidos en una computadora ubicada en la línea de pits del circuito en un software de alto nivel desarrollado para el sistema.

Recomendaciones 1. Diseñar y anexar un manual de usuario que indique las características y especificaciones del sistema, al mismo tiempo que un manual preventivo para fallas y mantenimiento del sistema, para lograr un buen rendimiento y alargar la vida útil de los componentes del sistema.

2. Mejorar el sistema de telemetría incorporando más variables para la medición, tales como ubicación del vehículo dentro de la pista, indicador de velocidad o transmisión de voz por radio.

3. Realizar mantenimiento al sistema durante la construcción de los monoplazas para cada competencia a la que el equipo FSAE UFT desee asistir.

4. El equipo técnico de FSAE UFT debe estar familiarizado con el software y el sistema en general para lograr un rendimiento máximo del mismo.

5. Realizar una adecuación de los sensores propuestos para su ubicación dentro del monoplaza, con el fin de prevenir daños físicos a los mismos y asegurar su correcto funcionamiento y prolongación de la vida útil.

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Tomasi, Wayne (2003). Sistemas de Comunicaciones Electrónicas. Editorial Pearson Education, México, Cuarta Edición.

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DISEÑO DE UN SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE DATOS USANDO MÓDULOS XTEND 900 DE 1W PARA VEHICULO FORMULA SAE-UFT

Autor: Ing. José Nayi Alchaer P. Ingeniería de Telecomunicaciones fsaeuft@hotmail.com Año: 2013 RESUMEN Este diseño surge como propuesta a las inquietudes del equipo de fórmula SAE de la UFT, en su afán por buscar el apoyo en otras carreras para mejorar el rendimiento de su equipo, por lo cual este sistema puede adaptarse a las exigencias de velocidad, potencia e inmunidad al ruido requerida para la evaluación de datos y su transmisión a una central de supervisión buscando obtener información de las RPM del motor del vehículo transmitiéndolas a un computador. Este trabajo tiene como objetivo principal diseñar un sistema de captura de datos para ser transmitidos, registrados y almacenados en un computador mediante módulos XTend 900 de 1W, este sistema integra microcontroladores como el ATMEGA328 siendo el que más se ajusta a las exigencias del módulo, todo esto instalado en el propio vehículo. Según el modelo de investigación de la Universidad Fermín Toro para la Escuela de Ingeniería de Telecomunicaciones, esta investigación corresponde al polo Hombre, ciudad y territorio, teniendo como eje la electrónica aplicada a las telecomunicaciones y la línea adecuada es análisis, diseño y construcción de dispositivos electrónicos útiles para la detección, monitoreo y transmisión de parámetros como instrumento de beneficio colectivo. Descriptores: Medición, Transmisión, Supervisión, Módulos XTend 900 1W.

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La Necesidad de la Formula SAE-UFT Hoy en día la electrónica digital se acentúa cada día y los avances tecnológicos son innumerables dentro de los distintos campos de la vida. Este es el caso de la mecánica en la cual la tecnología ofrece a los medios una gran variedad de herramientas de trabajo que permiten una mejor atención y control de fallas como por ejemplo dispositivos de medición de velocidad para comprobar el desgaste y el funcionamiento de un motor aunque para obtener una medición real de la velocidad del motor es necesario acoplarse directamente al mismo. Las telecomunicaciones sirven para transmitir información, pero esa información puede adquirir infinitas formas o empaquetarse de múltiples maneras, que se encuadran bajo el concepto de contenidos. Con la creciente difusión y disponibilidad de tabletas y smartphones han tomado mucho protagonismo las aplicaciones (apps). Se trata de programas más o menos sencillos, que permiten hacer cosas concretas, jugar o acceder a informaciones sobre temas específicos, tanto de ocio y entretenimiento como profesionales. Las aplicaciones pueden ser gratuitas o de pago, se descargan fácilmente y quedan instaladas en los terminales inteligentes, de forma que su uso es rápido e inmediato.

Desde hace un tiempo atrás se creó la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE®) Internacional, actualmente cuenta con 83.000 miembros de 97 países. Es una organización con varios fines, el primero normalizar todo lo referente al área automotriz comercial, intercambiar ideas por medio de congresos, seminarios, conferencias y competencias; dando a conocer los avances en el área automotriz y mecatrónica, e incentivar el valor del trabajo en equipo con la participación de ingenieros jóvenes y estudiantes de ingeniería. La Universidad Fermín Toro cuenta ya con su equipo SAE, el cual ha creado un prototipo inicial que ha ido mejorando según los aportes de los estudiantes de ingeniería de esta casa de estudio. En la última exposición del equipo este manifestó que requiere la creación de dispositivos que permitan monitorear a distancia algunas condiciones del vehículo es por ello que surge la necesidad de diseñar un sistema de captura de datos para ser transmitidos, registrados y almacenados en un computador mediante módulos XTend 900 de 1W los cuales se ajustan al desempeño del vehículo, este sistema deberá integrar microcontroladores como el ATMEGA328.

Objetivo General Diseñar un sistema de transmisión de datos usando módulos XTend 900 de 1W para vehículo formula SAE. Objetivos Específicos 1.

2.

3.

Diagnosticar los métodos actualmente aplicados en el monitoreo del vehículo de la formula SAE de la U.F.T. y la eficiencia de los mismos.

Determinar la factibilidad técnica, operativa y económica de la propuesta.

Realizar la circuitería necesaria para la captura de variables seleccionadas en tiempo real con el fin de transmitirla a una central de supervisión mediante módulos de comunicación inalámbricos.

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Justificación e Importancia Cuando se habla de medición se hace referencia a un conjunto de procedimientos sistemáticos para lograr el desarrollo de una ciencia. Ahora bien, al desglosar esta investigación se plantea una técnica referente a como recolectar datos, como medir los datos, codificación, validez y el instrumento de medición. Este sistema permite la emisión de diagnósticos con mayor precisión y calidad, debido a que se podrá analizar el funcionamiento del motor del vehículo, el sistema está orientado a disminuir el tiempo invertido en las pruebas y automatizarlas.

El diagnóstico técnico del comportamiento de motores ha evolucionado enormemente en los últimos años. Existen diversos métodos, entre ellos, el basado en el análisis en tiempo real que se emplea con rigurosidad científica para saber qué es lo que está ocurriendo en el motor. Las principales ventajas del diagnóstico a tiempo son: constituye una herramienta del mantenimiento predictivo, evita paralizaciones no programadas, ayuda a prevenir fallas e incrementa la vida útil del motor.

La toma de datos del motor en operación y el posterior análisis de los mismos, permite observar su condición a intervalos sucesivos durante un tiempo relativamente largo; ello puede ser ventajoso para determinar un intervalo práctico de cambio de partes, planificar el mantenimiento e identificar los contaminantes generando una acción correctiva para eliminar fallas y de este modo extender la vida útil del motor.

Esta investigación se enmarca dentro de la modalidad de proyecto factible, en el Polo II Hombre, ciudad y territorio, Eje: Electrónica aplicada a las telecomunicaciones y Línea: Análisis, diseño y construcción de dispositivos electrónicos útiles para la detección, monitoreo y transmisión de parámetros como instrumento de beneficio colectivo.

Software Es un programa que permite construir la interfaz humano-maquina (HMI, Human-Machine Interface), debe ser capaz de restringir el generar señales de alarma dispositivos de campo, como entre los niveles de supervisión, niveles gerenciales y administrativos. Ejemplos de este tipo de programas son LabVIEW, etc.

HMI puede ser una simple lámpara indicadora, o constar de un conjunto de pantallas donde se encuentra esquematizado gráficamente el proceso que se desea monitorear. En otras palabras, es el mecanismo que permite la interacción del humano con el proceso.

Espectro radioeléctrico El espectro radioeléctrico es de conformidad con lo establecido en la Ley Orgánica de Telecomunicaciones, para cuyo uso y explotación se debe contar con la respectiva concesión de uso del espectro radioeléctrico, que es un acto unilateral mediante el cual la Comisión Nacional de Telecomunicaciones, otorga a una persona específica un derecho personal (no cedible ni transferible) por tiempo limitado para usar y explotar una porción determinada del espectro radioeléctrico, previo cumplimiento de los requisitos establecidos en la Ley Orgánica de Telecomunicaciones.

Las concesiones pueden ser otorgadas mediante oferta pública o adjudicación directa. El procedimiento 168

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de oferta pública incluye una fase de precalificación y una de selección, que se realizará bajo las modalidades de subasta o en función de la satisfacción de mejores condiciones. Las concesiones para el uso y explotación del espectro radioeléctrico en materia de radiodifusión y televisión abierta deberán ser otorgadas a través de adjudicación directa.

Las frecuencias de radio comunicaciones se extienden desde valores tan bajos como algunos Khz en VLF (very low frequency, muy bajas frecuencias) hasta cientos de GHz en las bandas milimétricas. En este amplio margen, la tecnología usada en el diseño y construcción de componentes electrónicos es muy diversa, con al menos dos fronteras que separan la electrónica digital y de baja frecuencia de la llamada electrónica de Radiofrecuencia o RF y de las microondas. Aunque estas fronteras no son rígidas y evolucionan deprisa en el tiempo, impone un cambio importante en la forma de trabajar: analizar, diseñar y construir los componentes de un sistema.

La combinación, en un mismo chip de silicio, de circuitos analógicos y digitales permite una gran versatilidad en el diseño de bloques completos de un transmisor o receptor. Esta división del espectro de frecuencias fue establecida por el Consejo Consultivo Internacional de las Comunicaciones de Radio (CCIR) en el año 1953. Debido a que la radiodifusión nació en los Estados Unidos de América las denominaciones de las divisiones se encuentran en idioma inglés y de allí las abreviaturas tal cual las conocemos adoptadas en la Convención de Radio celebrada en Atlantic City en 1947. Ver figura 1

Figura 1:Distribución del espectro radioeléctrico Tal y como se puede apreciar en el gráfico de arriba, se divide en bandas de frecuencia que competen a cada servicio que estas ondas electromagnéticas están en capacidad de prestar para las distintas compañías de telecomunicaciones avaladas y protegidas por las instituciones creadas para tal fin de los estados soberanos. Un repaso corto a las bandas de frecuencia nos indica que: a) Banda UHF: en este rango de frecuencia se ubican las ondas electromagnéticas que son utilizadas por las compañías de telefonía fija y telefonía móvil, distintas compañías encargadas del rastreo satelital de automóviles y establecimientos y las emisoras radiales como tal. Las 169

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bandas UHF pueden ser usadas de manera ilegal, si alguna persona natural u organización cuenta con la tecnología de transmisión necesaria para interceptar la frecuencia y apropiarse de ella con el fin de divulgar su contenido que no es regulado por el Gobierno. b) Banda VHF: También es utilizada por las compañías de telefonía móvil y terrestre y las emisoras radiales, además de los sistemas de radio de onda corta (aficionados) y los sistemas de telefonía móvil en aparatos voladores. Es una banda mucho más potente que puede llegar a tener un alcance considerable, incluso, a nivel internacional. c) Banda HF: Tiene las mismas prestaciones que la banda VHF, pero esta resulta mucho más “envolvente” que la anterior puesto que algunas de sus “emisiones residuales” (pequeños fragmentos de onda que viajan más allá del aire terrestre), pueden chocar con algunas ondas del espacio produciendo una mayor cobertura de transmisión.

Potencia de emisión Un parámetro muy importante en la especificación de los componentes y sistemas de RF es el nivel de potencia de trabajo. A diferencia de los circuitos lógicos y de baja frecuencia, los niveles de impedancia que relacionan las tensiones y corrientes en cada punto del circuito suelen tomar valores próximos a una impedancia de referencia. Típicamente esta impedancia es de 50 O, aunque en determinadas aplicaciones puede tomar otros valores. Existen varias razones que aconsejan esta relación, entre ellas el uso de líneas de transmisión, las limitaciones en las impedancias de entrada o salida de diversos componentes de alta frecuencia y las características de las antenas y filtros. .

Sensibilidad El parámetro más importante de los receptores es la sensibilidad o potencia mínima de entrada para el correcto funcionamiento del sistema. La sensibilidad viene impuesta por el nivel de ruido e interferencias que acompaña a la señal deseada y que estará determinado en función del sistema por su relación (S/N+I).

En este caso la potencia de ruido generada en el propio receptor es un parámetro de primera importancia, que viene determinado por la temperatura equivalente de ruido o la figura de ruido. Este parámetro depende básicamente de los componentes de RF más próximos a la antena. En la mayoría de los casos los niveles relativos de potencia se indica en decibelios (dB) y los niveles absolutos de potencia en dB relativos a un milivatio (dBm).

Distorsión e interferencias El diseño básico de los sistemas de RF parte de la suposición de que los componentes que lo forman tienen una respuesta lineal e invariante en el tiempo a las señales de entrada. El análisis se basa en la respuesta temporal o espectral de los componentes que forman el sistema, independientemente de los niveles de potencia en cada punto. Uno de los problemas cada vez más importante en sistemas de radiocomunicaciones es el producido por las interferencias generadas en procesos de distorsión no lineal de señales, ya sean del propio sistema de comunicaciones o de sistema que comparten parte del espectro 170

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radioeléctrico.

Radiofrecuencia De acuerdo con Forouzan (2002) las señales electromagnéticas pueden viajar a través del vacío, el aire u otros medios de transmisión. Las radiofrecuencias pueden viajar a través del aire o del espacio, pero necesitan mecanismos específicos de transmisión y recepción. Éstas se aplican a la porción menos energética del espectro electromagnético, que corresponde de 3Hz a unos 300GHz. El Hertz es la unidad de medida de la frecuencia de las ondas y corresponde a un ciclo por segundo.

Microcontrolador Un microcontrolador es un circuito integrado o chip (es decir, un dispositivo electrónico que integra en un solo encapsulado un gran número de componentes) que tiene la característica de ser programable. Es capaz de ejecutar de forma autónoma una serie de instrucciones previamente definidas por el usuario.

Torrente (2013).

Arduino Arduino es una plataforma de hardware libre, con una placa sencilla dotada de entradas y salidas analógicas y digitales. Cuenta con un microcontrolador por una parte y por la otra, un entorno de desarrollo para su programación. Se puede emplear tanto para diseños autónomos como para dispositivos conectados a un ordenador personal. Torrente (2013, Ob. Cit).

La versión original de Arduino está fabricada por la empresa italiana Smart-Projects, aunque hoy en día existen decenas de distribuidores a nivel mundial; hay disponibles diversas versiones comerciales de la placa: la placa serie, con una interfaz RS-232 que puede utilizarse para programar la placa y comunicarla con otros elementos; está la placa USB, la de prototipado, la bluetooth, entre otros. Existe también la posibilidad de acoplar a la placa básica una interfaz Ethernet para comunicarse con otros dispositivos de una red de área local (LAN).

Características Generales a) Microcontrolador Atmega328 16MHz. b) Placa diseñada para hacer que los procesos electrónicos sean más accesibles. c) El software consiste en un compilador de lenguaje de programación estándar. d) Hardware abierto. e) Voltaje de trabajo 5v. f) Tensión de alimentación 7v-12v. g) 16 Entradas/salidas digitales (DIO). h) 6 Entradas analógicas.

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i) j)

Corriente máxima de 40mA. Conexión USB.

Alimentación del Arduino Uno El Arduino UNO puede ser alimentado a través de la conexión USB o con una fuente de alimentación externa. Cualquier adaptador AC-DC o batería puede ser utilizado como fuente de alimentación externa (no USB). El adaptador puede ser conectado usando un conector plug de alimentación de 2.1mm con polaridad positivo al centro al conector de alimentación de la tarjeta. Si se requiere usar una batería los cables pueden ser insertados en los pines GND y Vin del conector de alimentación.

La tarjeta puede funcionar con una fuente externa de 6 a 20V. Sin embargo, si se suministran un voltaje menor a 7V, el pin de 5V puede suministrar menos de los 5V y la tarjeta puede ser inestable. Si se utiliza más de 12V, el regulador de voltaje se puede sobrecalentar y dañar la tarjeta. Por lo tanto, el rango recomendado es de 7 a 12V. Descripción de Pines a) Serie: Pin 0 (RX) y 1 (TX). Usado para recibir (RX) transmitir (TX) datos a través de puerto serie TTL. Estos pines están conectados a los pines correspondientes del chip FTDI USB-to-TTL. b) Interrupciones Externas: Pines 2 y 3. Estos pines se pueden configurar para lanzar una interrupción en un valor LOW (0V), en flancos de subida o bajada (cambio de LOW a HIGH (5V) o viceversa), o en cambios de valor. c) PWM: Pines 3, 5, 6, 9, 10, y 11. Proporciona una salida PWM (Pulse Wave Modulation, modulación de onda por pulsos) de 8 bits de resolución (valores de 0 a 255) a través de la función analog Write(). d) SPI: Pines 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Estos pines proporcionan comunicación SPI, que a pesar de que el hardware la proporcione actualmente no está incluido en el lenguaje Arduino. e) LED: PIN 13. Hay un LED integrado en la placa conectado al pin digital 13, cuando este pin tiene un valor HIGH(5V) el LED se enciende y cuando este tiene un valor LOW(0V) este se apaga. f) I2C: Pines 4 (SDA) y 5 (SCL). Soporte del protocolo de comunicaciones I2C (TWI) usando la librería Wire. g) Además esta placa tiene 6 entradas analógicas, y cada una de ellas proporciona una resolución de 10bits (1024 valores). Por defecto se mide de tierra a 5 voltios, aunque es posible cambiar la cota superior de este rango usando el pin AREF y la función analog Reference().

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Figura 2: Arduino UNO Sensores Son dispositivos que generan una señal eléctrica en respuesta a un estímulo físico externo, son utilizados para la medición de eventos a través de la producción de una señal de corriente o voltaje que representa tal parámetro. Los sensores que entregan en su salida un valor proporcional a la variable a medir, se denominan sensores análogos y los que solo muestran la presencia o no de dicha variable física son sensores digitales.

La señal de salida de los sensores análogos, puede ser lineal, logarítmica o una función no lineal, en este último, al sensor se debe agregar un circuito electrónico que haga la respectiva operación de modo que la lectura corresponda de forma correcta a la variable medida. Los sensores digitales pueden ser inductivos, magnéticos, capacitivos, electromecánicos y fotoeléctricos, llamados también sensores de proximidad y van acompañados de un pequeño circuito que deciden en qué momento se deben efectuar el cambio de estado en su salida (Figura 3).

Figura 3: Diagrama Básico de entradas de los Sensores

Un motor es la parte sistemática de una máquina capaz de hacer funcionar el sistema transformando algún tipo de energía (eléctrica, de combustibles fósiles, etc.), en energía mecánica capaz de realizar un 173

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trabajo. En los automóviles este efecto es una fuerza que produce el movimiento.

Existen diversos tipos, siendo de los más comunes los siguientes: Motores térmicos, cuando el trabajo se obtiene a partir de energía calórica. a. Motores de combustión interna, son motores térmicos en los cuales se produce una combustión del fluido del motor, transformando su energía química en energía térmica, a partir de la cual se obtiene energía mecánica. El fluido motor antes de iniciar la combustión es una mezcla de un comburente (como el aire) y un combustible, como los derivados del petróleo y gasolina, los del gas natural o los biocombustibles. b. Motores de combustión externa, son motores térmicos en los cuales se produce una combustión en un fluido distinto al fluido motor. El fluido motor alcanza un estado térmico de mayor fuerza y es posible de llevar mediante la transmisión de energía a través de una pared.

Motores eléctricos, cuando el trabajo se obtiene a partir de una corriente eléctrica. En los aerogeneradores, las centrales hidroeléctricas o los reactores nucleares también se transforman algún tipo de energía en otro.

Sin embargo, la palabra motor se reserva para los casos en los cuales el resultado inmediato es energía mecánica. Los motores eléctricos utilizan la inducción electromagnética que produce la electricidad para producir movimiento, según sea la constitución del motor: núcleo con cable arrollado, sin cable arrollado, monofásico, trifásico, con imanes permanentes o sin ellos; la potencia depende del calibre del alambre, las vueltas del alambre y la tensión eléctrica aplicada.

Naturaleza de la Investigación La presente investigación se encuentra bajo la modalidad de proyecto factible, tomando los datos de interés en forma directa de la realidad y así, poder ayudar a solucionar el problema mediante la construcción de un dispositivo electrónico de monitoreo y supervisión. Es de carácter documental, se apoya en la investigación descriptiva, que tiene como objetivo determinar cuáles son los requerimientos que debe cumplir el sistema a crear.

Diseño del Proyecto Este sistema está dedicado a la medición de RPM de un motor en operación, usando módulos de transmisión de datos XTend 900 de 1W y para ello es necesario cumplir con las siguiente etapas básicas: Etapa I: Realizar la selección de los dispositivos a usar, considerando cargas a manipular y características de los dispositivos a manipular, es necesario indagar además en la disponibilidad de módulos y equipos de comunicación.

Etapa II: En esta etapa deberán diseñarse los módulos de captura de variables, la interfaz de corriente necesaria y la circuitería mínima de trabajo del microcontrolador.

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Etapa III: En esta etapa deben construirse los circuitos diseñados en la etapa anterior, realizar las pruebas y adecuar los módulos de comunicación a usar realizando pruebas simples de comunicación.

Etapa IV: Realizar la programa en lenguaje acorde al microcontrolador, con el fin de acoplar todos los módulos que integran el sistema, garantizando así la operatividad del mismo.

Estudio de Factibilidad Factibilidad Técnica La realización de este trabajo se considera factible desde el punto de vista técnico, ya que todos los equipos y componentes para la realización del prototipo son de fácil reemplazo y adquisición. En este sistema se resalta la tecnología propia del país y la facilidad de prestarle servicio al producto en cuanto al mantenimiento que este requiere.

A lo que a hardware se refiere el proyecto ha sido minuciosamente estudiado tomando en cuenta las funciones que se deben desempeñar para poder lograr el rendimiento necesario, basándose en microcontroladores, tales como el ATMEGA328 de la empresa Atmel, el cual constituye el cerebro del sistema, ya que se encargan de controlar las actividades necesarias para que el proceso se realice de forma óptima. El microcontrolador está disponible en el mercado local, así como también todos los dispositivos de comunicación a usar para la transmisión de datos, con el fin de garantizar el acceso a los mismos desde la zona técnica y/o de asistencia. Por todo esto se puede garantizar que el proyecto es factible desde el punto de vista técnico.

Factibilidad Operativa Se considera factible operativamente, debido a que el diseño del hardware constituye un equipo novedoso, es amigable gracias a su interfaz de usuario, lo que es de vital importancia para el desarrollo del sistema. El usuario no requiere de conocimientos avanzados en electrónica, telecomunicaciones ni en computación, puesto que cualquier persona con una básica experiencia en estas áreas, puede utilizarlo y aprovechar sus virtudes, lo que implica que no se necesita personal especializado.

Está encaminado para la fácil manipulación del operario, puesto que el diseño toma en cuenta las ventajas del microcontrolador, aprovechándolas al máximo; el circuito está concebido de modo que al pulsar un botón, el sistema arranque y comience el proceso normal de funcionamiento, de tal manera que agilice el proceso de captura de señales y envió de datos al computador.

Factibilidad Económica En esta factibilidad es donde se muestra el análisis económico del proyecto, tomando en cuenta los aspectos señalados en el estudio técnico; determinando la factibilidad del proyecto desde el punto de vista costo-beneficio.

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El costo del sistema es relativamente bajo, sus partes y/o componentes son accesibles y localizables en el país, por lo tanto no requieren gastos de importación en lo que respecta a evaluar su factibilidad desde el punto de vista económico, resulta incalculable debido a que la inversión en seguridad y protección supera cualquier costo, es por ello que desde el punto de vista benéfico, este rompe con todas las expectativas brindando una herramienta que ayudara al equipo técnico con respecto a la observación y manipulación directa en tiempo real y en todo momento garantizando la continuidad del proceso.

Es por ello que este sistema representa un recurso viable y accesible en lo que a automatización y mejora de la forma en que se realizan los procesos, es por esto que se considera factible económicamente.

En el cuadro 1 se muestra el costo de materiales usados.

Cuadro 1.

Recursos de Materiales CANT. DESCRIPCION 2 Placa Arduino Uno R3 1 Sensor RPM 2 Antenas Panel 69mw 1 Mano de obra 2 Módulos XTend 900 de 1W Total General Fuente: Autor (2013)

PRECIO Bs. 1.000,00 1.000,00 750.00 2.047,50 1.000,00

TOTAL Bs. 2.000,00 1.000,00 1.500.00 2.047,50 2.000,00 8.547,50

Descripción del Sistema Este sistema está estructurado en dos partes una de medición y transmisión de datos, la cual integra una interfaz de operación, una etapa de medición y finalmente la de transmisión de datos esta tomara la muestra de RPM codificara los datos y finalmente los transmitirá vía radiofrecuencia, la estructura del sistema de medición y transmisión se muestra en la figura 4.

MODULO DE ADECUACION DE SEÑAL

MODULO DE MEDICION

MODULO DE CONTROL PARA TRANSMISION

MODULO DE TRANSMISION DE DATOS RF

MODULO DE VISUALIZACION

MODULO DE ALIMENTACION

Figura 4:Diagrama de Bloques de la Estación de Medición y Transmisión

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Módulo de Medición Este módulo es el encargado de medir las revoluciones por minuto del motor del vehículo, a este puede acoplarse un sensor inductivo o encoder incremental de 100 pulsos por minuto el cual puede acoplarse directamente por medio de correo al motor, este genera 100 pulsos por vuelta de eje de 12 voltios de corriente continua con ciclo útil del 50%. En la figura 5 se muestra la forma de un encoder incremental.

Figura 5 Encoder Un encoder es un equipo que contiene internamente un disco perforado, en este caso particular con 100 perforaciones además de un diodo luminoso, el cual deja pasar un haz de luz a través de las perforaciones del mismo y un fototransistor que convierte el haz de luz detectado en una señal de voltaje, como se muestra en la figura 6.

Figura 6 Estructura Interna de un Encoder Módulo de Adecuación de Señal Este es el encargado de adecuar la señal proveniente del módulo de medición en voltaje, debido a que esta es de +12Vdc y la señal capaz de ser manipulado por el módulo de control debe ser máximo de 5Vdc. 177

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Este se encuentra formado por un optoacoplador 4N25 el cual internamente posee un diodo luminoso y un fototransitor el cual al polarizarse correctamente genera un haz de luz, saturando un fototransistor y dejando pasar 5Vdc al microcontrolador. El diagrama de conexión se muestra en la figura 7.

Figura 7 Módulo de Adecuación de Señal Módulo de Visualización Este módulo será el encargado demostrar los valores muestreados no en forma analógica sino en forma digital, es decir, mediante este sistema se sustituye en el vehículo el reloj de aguja que muestra las RPM por un mensaje digital en formato numérico desplegado en una pantalla de cristal líquido LCD, la cual se encuentra conectada de forma paralela a la placa Arduino mediante 4 líneas de datos y 2 de control como

se muestra en la figura 8.

Figura 7: Módulo de Visualización

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Módulo de Control Transmisión Se encarga de girar instrucciones y dirigir todo el proceso, desde la captura de las señales de entrada, hasta lograr el acople armónico de todos los dispositivos que conforman el sistema. Este formado por un microcontrolador Atmel ATMEGA328 y la circuitería requerida para su funcionamiento, operando sobre una placa arduino. Ver figura 8.

Figura 8: Diagrama Circuital del Módulo de Control Los pines dedicados para la comunicación son los UART pines 0 y 1 para RX y TX respectivamente de esta manera se comunican directamente con el módulo de comunicación XTend 900 para esperar órdenes y transmitir datos. La entrada seleccionada para el conteo de revoluciones es la digital 13 mediante esta se realizara el conteo por 0.6 seg y se obtendrá la relación directa de revoluciones por minuto. Las muestras tomadas se muestran al piloto mediante una pantalla de cristal líquido conectada a los pines analógicos A0, A1, A2, A3, A4 y A5 para los 2 bits de control y los 4 de datos respectivamente conectados de forma paralela a una LCD de 16*2.

Módulo de Comunicación El modem xtend empaqueta una gran cantidad de perforaciones rf en un pequeño modulo de baja potencia, fácil uso y confiable. Al aire libre, con la línea de la vista, este módulo puede comunicarse hasta 40millas, en el interior se puede hacer todavía hasta 3000pies. El módulo transfiere un flujo de datos de serie asíncronos estándar que opera dentro del frecuencia de banda ism de 900mhz de y sostiene hasta 115.2kbps de rendimiento de procesamiento de datos. El módulo viene adjunto con un conector de antena (rpsma).

La xtend utiliza el módulo de fhss (frequency hopping spread spectrum) agilidad para evitar la interferencia por el salto a una nueva frecuencia sobre cada transmisión de paquetes o retransmisión. Su potencia de transmisión es ajustable por software de 1mw a 1w, la potencia de salida máxima admisible por los gobiernos que usan 900mhz como una licencia de banda libre.

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Ninguna configuración es necesaria para la comunicación de RF fuera de la caja. Xtend el módulo por defecto es compatible con una amplia gama de datos de las aplicaciones del sistema. Configuraciones avanzadas pueden ser implementadas usando sencillos comandos AT o en binario. El diagrama de conexión con el módulo de control se muestra en la figura 9.

Figura 9: Modulo de Comunicacion Características: a) Suministro de tensión:- 2.8 5.5vdc regulado. b) La banda de frecuencia:- 902 92mhz. c) interfaz de datos serial:- 3v 5v uart cmos no requiere configuración. d) Transmisión de corriente: ma 730(5v, 1w tx potencia de salida). e) Recepción de corriente: ma 80(5v, 1w tx potencia de salida). f) Rango interior/urbano (w/2.1db antena dipolo): de hasta 3000 pies (900 m). g) Línea de transmisión rf al aire libre (w/antena de alta ganancia): hasta 40 millas (64 km). h) La potencia de transmisión de salida (software seleccionable):- 1mw 1w (0- 30dbm). i) El rendimiento de velocidad de datos (software seleccionable): 9,600 115 o, 200 bps. j) Rpsma- conexión de la antena.

Módulo de Alimentación Este módulo se encarga de generar el voltaje requerido para que el sistema electrónico funcione, este toma de la batería del vehículo la alimentación de +12Vdc regulándola a +9Vdc por medio de un transistor LM317 y la circuitería requerida para su manipulación según las especificaciones del fabricante. El diagrama de conexión se muestra en la figura 10.

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Figura 10: Modulo de Alimentacion Descripción del Receptor El módulo receptor es el encargado de recibir los datos del emisor, decodificarlos y enviarlos al computador para su posterior registro y análisis para finalmente mostrarlos, está basado en un microcontrolador ATMEGA328 operando sobre una placa arduino como unidad central de control, un receptor de radiofrecuencia XTend 900 y un puerto de comunicación RS-232. El mismo se encuentra acoplado eléctricamente como se muestra en la figura 11.

MODULO DE RECEPCION DE DATOS

MODULO DE CONTROL PARA RECEPCION

MODULO DE ALIMENTACION

MODULO DE COMUNICACIÓN RS-232

Figura 11: Diagrama de Bloques del Receptor

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Módulo de Recepción de Datos Formado también por un módulo XTend 900 debido a que estos son transceiver conectado físicamente a los pines uart de la placa arduino RX y TX pines 0 y 1 respectivamente. Es necesario destacar que la velocidad de comunicación al igual que el módulo de transmisión está a 9600 bps la cual es la configuración por defecto. El diagrama de conexión se muestra en la figura 12.

Figura 12: Modulo de Comunicación Módulo de Comunicación RS-232 Este módulo es el encargado de la comunicación con el computador con el fin de registrar, almacenar y mostrar las medidas tomadas. La transmisión de datos vía RS232 es asíncrona, es decir, la señal de reloj no se transmite, por lo tanto el transmisor como el receptor tienen que funcionar a la misma velocidad de 9.600 Kb/s. Existe una limitación física de la longitud del cable, según la norma RS232, a 15 metros. El diagrama de conexión del módulo se muestra en la figura 13.

Figura 13: Modulo de Comunicación

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Este módulo está formado por el circuito integrado MAX-232, el cual se encarga de establecer la comunicación entre el módulo de control receptor y el computador. El MAX-232 realiza la conversión de los niveles de voltaje TTL utilizados por el módulo de control a niveles de voltajes RS-232.

Módulo de Comunicación RS-232 Módulo de Control Receptor Este módulo es el encargado de la recepción de los datos provenientes del emisor su adecuación y posterior envío al computador, este se encuentra formado por un microcontrolador ATMEGA328, manipulando los periféricos, este módulo solo sirve como administrador de datos en interfaz de comunicación entre ambas normas y medios seleccionados. El diagrama de conexión se muestra en la figura 14.

Figura 14: Conexión del Módulo Control Receptor Módulo de Alimentación Es el módulo que se encarga de convertir los 120Vac que provienen de la red eléctrica en 12Vdc necesarios para que los elementos de control puedan funcionar entre sí. Cuenta con un transformador a 1:10 que transforma la señal de 120Vac a 12Vac. Posteriormente, la señal transita a través de un puente rectificador que convierte la señal en una onda del voltaje dc sin filtrar. Luego la señal atraviesa un rectificador para alcanzar un nivel de +5Vdc se coloca un capacitor de 1000 microfaradios para efectos del filtrado.

La salida del módulo de alimentación proporciona una señal de +5Vdc y puede surtir hasta un amperio y medio de corriente. Esto según la información que suministra el fabricante. Las conexiones eléctricas que son necesarias para obtener la salida anteriormente descrita se muestra en la figura 15.

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Figura 15: Fuente de Alimentación

La Modulación por desplazamiento de frecuencia o FSK, (Frequency Shift Keying) es una técnica de transmisión digital de información binaria (ceros y unos) utilizando dos frecuencias diferentes. La señal moduladora solo varía entre dos valores de tensión discretos formando un tren de pulsos donde un cero representa un "1" o "marca" y el otro representa el "0" o "espacio". En la modulación digital, a la relación de cambio a la entrada del modulador se le llama bit-rate y tiene como unidad el bit por segundo (bps). A la relación de cambio a la salida del modulador se le llama baud-rate. En esencia el baud-rate es la velocidad o cantidad de símbolos por segundo. En FSK, el bit rate = baudrate. Así, por ejemplo, un 0 binario se puede representar con una frecuencia f1, y el 1 binario se representa con una frecuencia distinta f2. En la figura 16 se muestra un ejemplo de la forma de modulación usada.

Figura 16:Modulación FSK

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Perdidas en el espacio libre: Lp= 32.5 + 20* log (d(Km)) + 20 * log (f(MHz)) Dónde: F = frecuencia de la señal expresada en MHz N = factor de propagación considerando un buen ambiente n= 2 D = la distancia entre las dos antenas expresada en metros Potencia recibida por la antena Rx expresada en dBm Pr: Pr = Pt + Gt + Gr -Lp(dB) Donde Pt= potencia transmitida (potencia entregada en el conector de la salida del equipo transmisor) expresada en dBm Gt=ganancia de la antena transmisora expresada en dB Gr= ganancia de la antena receptora expresada en dB Lp=perdidas en el trayecto expresadas en dB Para calcular las perdidas, se utilizan las siguientes distancias: d0= 25mtr, d1= 50mtr, d2= 100mtr, tomando en cuenta los siguientes datos Gt= 5 dBi, Gr= 5dBm, F= 928 MHz, Pt= 14.77dBm sensibilidad = -95 dBm Perdidas a 25 mtr Lp =32,5 + 20 * log (0.025) +20 * log (928) = 53,18 dB Pr= 14,77 + 5 + 5 – 53,18 = - 28,41 dBm Perdidas a 50 mtr Lp = 32,5 + 20 * log (0.050) + 20 * log (928) = 59,19 dB Pr = 14,77 +5 +5 – 59,19 = - 34,42 dBm Perdidas a 100 mtr Lp = 32,5 + 20 * log (0.100) + 20 * log (928) = 65,22 dB Pr = 14,77 +5 +5 – 65,22 = - 40,45dBm Los resultados son mostrados en el cuadro 2.

Cuadro 2.

Perdidas Distancia (mtr) Perdidas (dB) 25 53,18 50 59,19 100 65,22 Fuente: Autor (2013)

PotenciaRecibida (dBm) -28,41 -34,42 -40,45

Finalmente en la figura 17 se muestra el circuito completo del sistema electrónico.

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Figura 17: Diagrama Completo

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6.

7.

Conclusiones El microcontrolador cumple con las necesidades que requiere un sistema.

El diseño y construcción del sistema es una solución factible porque sus componentes pueden ser de fácil adquisición en el país.

Contribuye de forma directa con el desarrollo del prototipo del equipo Formula SAE de la U.F.T. Demuestra que es posible desarrollar sistemas en los que la tecnología es la herramienta principal, a menor costo y de alta calidad.

El trabajo presentado adquiere e implementa nuevos métodos tecnológicos en el área de sistemas de medición y transmisión.

Las telecomunicaciones pueden aplicarse a cualquier sistema de plataforma electrónica y mecánica.

Puede aplicarse de forma correcta un sistema de transmisión de datos de media potencia y bajo consumo.

Recomendaciones

1. Implementar un software de alto nivel más robusto con el fin de poder visualizar y registrar los datos en un computador.

Agregar al sistema electrónico más variables que complementen el sistema

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Forouzan, Behrouz A. (2.002). Transmisión de datos y redes de comunicaciones. (Segunda Edición).

Editorial Mc Graw Hill.

Tamayo, Mario (1.988). El proceso de la investigación científica. (Segunda Edición). Editorial Limusa.

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Tomasi, W. (2003) Sistema de Comunicaciones Electrónicas. Editorial Pearson Educación.

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Saldivia (2012), en su estudio titulado: “Construcción de un sistema de detección de gases nocivos en alimentos utilizando microcontroladores y tecnología RF”, Barquisimeto, Venezuela.

Gutiérrez (2011), “Diseño de un sistema de transmisión y supervisión de niveles de temperatura y amoníaco mediante tecnología de Bluetooth y Radio frecuencia para plantas de enfriamiento”, Barquisimeto, Venezuela.

Fuentes Electrónicas G. Oscar (2000). Estándar de comunicaciones RS-232. Disponible en: http://www.euskalnet.net/shizuka/rs232.htm Kalipedia. (2011, Julio 7). Comunicación alámbrica e inalámbrica. http://www.kalipedia.com/informatica/tema/comunicacion-alambricainalambrica.html?x=20070821klpinginf_50.Kes&ap=1

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Disponible

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DISEÑO DE UN SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA A TRAVÉS DE CADENA PARA UN PROTOTIPO DE VEHÍCULO MONOPLAZA DEL EQUIPO DE FORMULA SAE DE LA UNIVERSIDAD FERMÍN TORO

Autor: Adrián M. Lara V. Ingenieria de Mantenimiento Mecanico fsaeuft@hotmail.com Año: 2014

El presente proyecto trata de diseñar un sistema de transmisión de tipo cadena, piñón y corona para un prototipo de vehículo tipo Monoplaza de la universidad Fermin toro el cual participará en la competencia Formula SAE evento donde asisten varias universidades a nivel mundial. El mismo se enmarca en la modalidad de proyecto factible, ya que contiene registros de una propuesta viable, destinada atender necesidades específicas a partir de un diagnóstico, El cual favorecerá al departamento de transmisión de Formula SAEUFT. Dicha investigación está apoyada en el Eje Rector: Hombre, Ciudad y Tamaño. La línea de investigación es “Diseño rediseño y optimización de sistemas productivos, máquinas, equipos y dispositivos que fomentan nuevas tecnologías, siguiendo las políticas de investigación de la Universidad Fermín Toro”.

Conjuntamente se utilizaron herramientas como la recolección de datos a través de la observación directa, entrevistas no estructuradas y revisión bibliográfica. Para la elección de la transmisión óptima que utilizara el vehículo. Y se concluyó mediante la ayuda del software de trabajo solidworks el ensamblaje de las piezas y simular los componentes más importantes de la transmisión para ver su comportamiento en una situación real. y dejar como recomendación los aspectos que se deben tener en cuenta al momento de diseñar una transmisión de piñón cadena y corona. Descriptores: Diseño, transmisión, Formula SAE.

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Introducción El automóvil hace parte de nuestra vida cotidiana y agrupa diversos conceptos de ingeniería mecánica por lo tanto, es de gran importancia para el ingeniero mecánico tener conocimientos sobre el campo automotriz. En Venezuela este campo no es muy explotado lo que no es un punto favorable para los que aspiran diseñar automóviles. Por otra parte esta investigación da un aporte para los están interesados en dicha rama de la industria, Siguiendo el mismo orden de ideas, El presente proyecto trata de diseñar un sistema de transmisión compuesto por piño, cadena y corona para la competencia Formula SAE, el cual permita mediante su gran eficiencia aportar todas las características necesarias para que el vehículo monoplaza tenga un mejor desempeño en pista.

Planteamiento del Problema En este mundo globalizado, que presenta una constante innovación y/o evolución, en donde el hombre está realizando nuevas mejoras en sus equipos con la finalidad de alcanzar un alto grado de desarrollo tecnológico y de esta manera lograr incrementar su autonomía para seleccionar, adquirir, adoptar, difundir, crear, y pensar con el fin de elevar el poder económico, político, social y cultural de una nación, un ejemplo claro de esto se encuentra el desarrollo que la industria automotriz ha logrado, de hecho este es un sector que tiene su propia área de estudio para mejorar los distintos mecanismos que conforman el automóvil, dicha área tiene como nombre diseño automotriz, la cual ha progresado de una manera gigantesca a través de los años, y donde hoy en día existen una diversidad de marcas y empresas que diseñan y fabrican automóviles para uso común, carga, transporte, entre otros, también existe una rama diferente automovilística que engloba los vehículos deportivos, donde se presentan los diferentes eventos o categorías Fórmulas.

Estas categorías tienen la finalidad de evaluar los diferentes diseños de autos con el propósito de que cumplan los requerimientos pedidos en los circuitos establecidos, de la misma manera estas exigencias que ponen a prueba las distintas aplicaciones del conocimiento y la ingeniería garantizando así que siempre se estén desarrollando nuevos proyectos de innovación en el área.

Es aquí donde el diseño tiene una gran importancia ya que dependiendo de las mejoras y los conceptos utilizados en el mismo se puede lograr infinidades de obras en la ingeniería. Es por ello que se puede definir el diseño automotriz, ya que mucho antes que se supiera que era como tal en el tiempo del renacimiento, existió un ingeniero, artista y visionario que logro definirlo antes de que existiera, dicho personaje era Leonardo da Vinci en que unos de sus dibujos refleja un innovador dispositivo en sus detalles más mínimos, simulando con extraordinaria claridad el complejo proceso de transmisión de la energía generada por los motores de muelle, sin embargo 189

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a través de los años el concepto de diseño ha logrado desplegarse enormemente tanto así que existen opiniones sobre lo que es el diseño la ingeniera como el dado por Mott (2006) en su libro el diseño de elementos de maquina que es parte integral del más extenso y general campo del diseño mecánico.

Los diseñadores y los ingenieros de diseño crean aparatos o sistemas que satisfacen necesidades específicas. Y es por ello que a nivel mundial existen diferentes competencias de diseño automotriz que ponen a prueba todos los conocimientos de las diferentes ramas de la ingeniería, una de estas es realizada por la sociedad SAE (sociedad de ingenieros automotrices por sus siglas en inglés), esta sociedad en 1979 comienza como competencia de “Mini Baja” en la Universidad de Huston y se crea una variante llamada “Mini Indy” que consistía en construir un vehículo monoplaza tipo Indy o formula en el que no se tenían tantas restricciones como en el “Baja” ya que se permitía modificar los motores, y los diferentes elementos que componían al vehículo creándose así la competencia Formula SAE en 1980; en esta competencia se buscaba que los estudiantes utilizaran su ingenio para crear cada componente del vehículo ya que en “Baja” solo se optimizaba el diseño de un chasis, sin embargo se restringió un poco a solo motores de 4 tiempos con una cilindrada máxima de 600cc por razones de seguridad lo cual permitirán el resguardo del piloto.

Este tipo de proyecto es de carácter innovador en la Universidad Fermín Toro ya que logra despertar el interés en los estudiantes de involucrarse en la rama del diseño automotriz específicamente en la construcción de vehículos de carreras, con la intención de los mismos posean un buen desarrollo a lo largo de las pruebas que se le realizarán en la competencias. cabe destacar que todos estos conocimientos adquiridos por el estudiante se pondrá a prueba para un mejor desarrollo de sus habilidades en una situación real de ingeniería.

Objetivo General Diseñar un sistema de transmisión de potencia a través de cadena para un prototipo de vehículo monoplaza del equipo de Formula SAE de la Universidad Fermín Toro.

Objetivos Específicos 1. Especificar los distintos diseños de trasmisiones que estén bajo los requisitos de Formula SAE, para llegar consecutivamente a la innovación de un sistema de transmisión óptimo.

2. Estudiar la factibilidad técnica, costo y operativa del proyecto para así lograr determinar la viabilidad del trabajo de investigación.

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3. Elaborar el diseño más recomendable para el sistema de transmisión de potencia a través de cadena para un prototipo de vehículo monoplaza del equipo de Formula SAE de la universidad Fermín Toro.

Justificación e Importancia Hoy en día la sociedad venezolana vive un momento histórico de profundas transformaciones. la educación superior y especialmente, la institución universitaria no escapa a este proceso, impulsada por factores exógenos como la globalización de la tecnología, la sociedad de la información y el conocimiento, tiene ante sí el reto de mirar hacia adentro, para reforzarse y recobrar su posición estratégica en la sociedad como agente de cambio, esto lograra que el nivel educativo crezca y sea capaz de demostrarlo en el mundo entero, es por ello que existe a nivel mundial distintos convenios entre universidades que tienen como finalidad lograr ese intercambio de comunicación los cuales permitirán que los conocimientos adquiridos entre estudiantes les sirva para conquistar la destreza y experiencia necesaria que necesitarán en su futura área de trabajo.

En este mismo sentido se ha logrado en el mundo el nacimiento de competencias entre universidades que buscan poner a prueba a las habilidades de los estudiantes una de ellas es la Formula SAE que coloca como objetivo desarrollar y diseñar un vehículo monoplaza bajo ciertas normas establecidas por la misma dentro de esta competencia, cabe agregar que existen distintas pruebas que están diseñadas para poner a prueba las destrezas del vehículo en la pista. Ante lo mencionado en la actualidad se ha logrado consolidar un grupo multidisciplinario dentro de la universidad Fermín Toro institución ya que está dispuesta a participar en dicho evento, es por ello que surge la creación de departamentos especializados dentro de este equipo multidisciplinario que tienen como responsabilidad diseñar los componentes óptimos para el vehículo que participara en tan importante competencia.

La importancia de este trabajo de investigación se realiza con la finalidad de lograr dejar un que contenga el diseño de una parte muy importante del vehículo la cual es la transmisión dicho componente tiene como función transmitir la potencia que sale del motor a los ejes de las ruedas lo que conlleva al desplazamiento del vehículo y a su vez lograr obtener una buena relación de velocidades las cuales permitan destacar al vehículo entre los otros monoplazas de la competencias. Cabe destacar que existen motivaciones para realizar este proyecto entre ella está la teorías de elementos de máquinas estipuladas por Shigley dentro de ese mismo libro existen varias metodologías para el diseño de transmisión sin embargo se elegirá una en específico la cual se explicara más adelante la razón de dicha elección.

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Análisis Dinámico Los elementos mecánicos en el área de la ingeniería abarcan una gran gama de elementos, al desglosar cada uno de ellos nos permite conocer a fondo su utilización y aplicación. Las aplicaciones fundamentales de elementos mecánicos son específicos para lo que se está ejecutando, así también los elementos constructivos son definidos de tal forma que solo tiene un objetivo final, el cual nos permitirá satisfacer una necesidad especifica según sea requerida, por otra parte Lent (2003) define que “ el mecanismo es el corazón de una maquina”(p.223). Cabe destacar que una maquina esta normalmente accionada por un motor que suministra potencia y velocidad constantes, y es aquí donde se demuestra que el mecanismo transforma este movimiento dado en la forma pedida, para cumplir la misión propuesta.

Siguiendo con lo anterior mencionado el estudio del movimiento de los órganos de los mecanismos, sin considerar las fuerzas y los esfuerzos que se producen se llama cinemática, no puede ignorarse la existencia de fuerzas , muchos mecanismos , tales como grúas y prensas , se proyectan más por su capacidad de producir fuerzas que por las características del movimiento ,todos los componentes del mecanismo deben proyectarse para resistir los esfuerzos producidos por cargas y aceleraciones, así mismo el estudio de las fuerzas sobre cuerpos en movimiento se llama dinámica , esta es mucho más complicada que la cinemática ,ya que muchos de los problemas dinámicos se definen por las características del movimiento, es lógico así como conveniente estudiar primeramente dicho fenómeno ya que determinara claramente el tipo de esfuerzos y aceleraciones al cual estarán sometidos los componentes mecánicos de un equipo .

Tipo de Transmisión (polea, engranaje, cadena) Según Budynas y otros (2008) “los elementos de máquinas elásticos o flexibles como bandas, cables, cadenas y otros similares se emplean en los sistemas de transporte y para y transmitir potencia largas y cortas distancias ”(p.860). Con frecuencia estos elementos se usan como reemplazos de engranes, ejes, cojinetes y otros dispositivos de transmisión de potencia relativamente rígidos. En muchos casos su empleo simplifica el diseño de una máquina y reduce en gran medida el costo, además puesto que estos elementos son elásticos y suelen ser bastante largos tienen una función importante en la absorción de cargas de impacto y en el amortiguamiento y asilamiento de los efectos de las vibraciones, lo que es una ventaja importante para la vida de la máquina.

La mayoría de los elementos flexibles no tienen vida infinita, cuando se emplean es importante establecer un programa de inspección para protegerlos contra el desgaste, envejecimiento y perdida de elasticidad, cabe destacar que los elementos se deben reemplazar a la primera señal de deterioro.

Siguiendo con lo anterior mencionado dentro de este gran margen de elementos mecánicos de transmisión de potencia se encuentran unos tipos de transmisiones con distintas características como lo son las transmisiones por banda, que es un conjunto de dos poleas acopladas por medio de una correa 192

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con el fin de transmitir fuerzas y velocidades angulares entre árboles paralelos que se encuentran a una cierta distancia. La fuerza se transmite por efecto del rozamiento que ejerce la correa sobre la polea. Por otra parte la transmisión por engranajes que sirven para comunicar fuerza y movimiento desde un motor hasta su punto de aplicación. Esta también recibe el nombre de tren de engranajes por el conjunto de engranes que se encuentran dentados entre sí, ya sea directamente o por medio de cadenas.

En este mismo orden de ideas según Domínguez (2008) “existe un tipo de trasmisión el cual es uno de los más efectivos con respecto a la transmisión de potencia debido a sus características esta se conoce como transmisión por cadena”(p.2). Este tipo de transmisiones trabajan de acuerdo con el principio de engranaje, y está compuesta de una rueda dentada motriz, una o varias ruedas dentadas conducidas y un tramo de cadena unido por ambos extremos que engrana sobre las ruedas dentadas. La flexibilidad de la transmisión es garantizada con la cadena, la cual consta de eslabones unidos por pasadores, que permiten asegurar la necesaria flexibilidad de la cadena durante el engrane con las ruedas dentadas. En el caso más simple, la transmisión por cadena consta de una cadena y dos ruedas dentadas, denominadas ruedas de estrella, ruedas dentadas o sprocket, una de las cuales es conductora y la otra conducida.

Dichas transmisiones se emplean cuando las distancias entre los ejes son considerables (hasta 4 m).

La potencia de estas transmisiones alcanza 5000 CV. La máxima relación de engranaje es igual a siete.

Las referidas transmisiones poseen una relación de engranaje constante y elevado rendimiento, cuya magnitud alcanza 0,98. Adicionalmente a las transmisiones por cadenas se le incorporan cubiertas protectoras (guarderas). En casos de transmisiones que trabajan muy cargadas y a elevadas velocidades se emplean carcasas donde la cadena es lubricada por inmersión o con surtidores de aceite a presión aplicados en las zonas de inicio del engrane entre la cadena y las ruedas dentadas. En el caso de guarderas o carcasas, la envoltura no debe dificultar la regulación del tensado de la cadena para compensar el estirado de ella, producto del desgaste de sus eslabones y articulaciones. Generalmente, en las transmisiones por cadenas una de las ruedas es desplazable para garantizar el tensado adecuado de la cadena, de no ser así, se introducen dispositivos reguladores de la requerida tensión de la cadena.

Habitualmente, con auxilio de dispositivos reguladores se puede compensar el alargamiento de la cadena hasta la longitud de dos eslabones, después de esto es conveniente quitar dos eslabones de la cadena y situar el dispositivo regulador en posición inicial. Es por ello que Algunas de las ventajas que presentan las transmisiones por cadenas al ser comparadas con otras transmisiones de enlace flexible, como las transmisiones por correas y poleas, son, Dimensiones exteriores son menores, Ausencia de deslizamiento, Alto rendimiento, Pequeña magnitud de carga sobre los árboles, Posibilidad de cambiar con facilidad su elemento flexible (cadena).

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Relación de Velocidades Las cajas de cambios de los vehículos de carreras están diseñadas para poder desarrollar la mayor velocidad y aceleración posible del automóvil lo cual proporcionara la ventaja del mismo en pista, esto quiere decir que a la hora de diseñar una caja cambios la relación de velocidades de la misma es el factor clave para proporcionar el rendimiento correcto cabe destacar que para poder estudiar el diseño de las velocidades de la caja de cambios de un motor , según Domínguez (2008) “se utilizan graficas en la que se muestra en kilómetros por hora y las revoluciones por minuto del motor “ (p 72), en dicha grafica se puede apreciar las distintas relaciones de transmisión de cada velocidad al momento de que se efectúa cada cambio todo esto con la intención de lograr encontrar el punto exacto entre las rpm y la velocidad. En la siguiente imagen se muestra una imagen con un ejemplo de dicha tabla de velocidades.

Fuente: www.kawasaki.com (2010)Figura 1:Tabla de relación de velocidades de un motor Kawasaki 500 cc

Potencia en la Salida del Motor Dietsche (2005) define que “la potencia de un motor se puede absorber con el número de revoluciones correspondiente por parte del cigüeñal o de un dispositivo auxiliar o caja de cambios” (p.497). En caso de absorción a través de una caja de cambios, la potencia perdida de la misma debe añadirse a la potencia del motor, la potencia nominal es la máxima potencia útil del motor en condiciones de plena carga, es decir la potencia neta se corresponde con la potencia útil. Cabe destacar que la potencia de un motor se debe aprovechar al máximo ya que de lo contrario el mismo no podría operar de forma correcta para el trabajo que esté realizando.

Sistema de Transmisión de Potencia El diseño automotriz hoy en día ha logrado evolucionar enormemente gracias a los avances de la tecnología debido a que cada vez las exigencias de los consumidores es mayor obligando así a los diseñadores implementar optimizaciones en sus diseños que permitan realizar mejoras considerables 194

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en cada aspecto técnico del vehículo, cabe destacar que un vehículo es una obra de ingeniería cuya función es facilitar el transporte , por otra parte este posee muchos componentes que trabajan en conjunto bajo sistemas y subsistemas que le permiten cumplir con su funcionalidad dando así la satisfacción al usuario .

Continuando con lo anterior mencionado algunos los componentes que conforman dichos sistemas son el chasis el cual es el esqueleto donde se unen todos los dispositivos del vehículo y que a su vez da resguardo al chofer, otro componente es el sistema de frenos este es un dispositivo utilizado para detener o disminuir el movimiento del vehículo, otro de los sistemas es la suspensión es el medio que absorbe las vibraciones trasmitida a la habitáculo por la carretera, si no también es el conjunto de elementos que mantienen en contacto las ruedas con la carretera garantizando el control y la estabilidad del vehículo, por ultimo según Domínguez (2008). “La transmisión es el conjunto de bandas cadenas o engranes que sirven para comunicar fuerza y movimiento desde un motor hasta su punto de aplicación” (p.265).

En la actualidad se han desarrollado distintos tipos de transmisiones las cuales dependiendo de su aplicación contienen múltiples características técnicas que diferencian a cada una de ellas, por otra parte algunos de los tipos de transmisiones que existen en la rama automotriz son las transmisiones que utilizan embragues robotizados donde la relación se realizan de forma electrónica la doble embrague pariente cercana de la robotizada cuenta con dos embragues, cada uno vinculado con un árbol, la CVT es una transmisión que existe desde que se creó el automóvil y funciona según el mismo principio de variación del ciclomotor con dos discos unidos entre ellos por una cadena metálica. Toda esta información fue extraída de la siguiente página http://www.transmisiones automaticasmexico.com Continuando con lo anterior mencionado existe un sistema de transmisión muy usado en diferentes campos de aplicación, esta es la transmisión por cadena la cual está compuesta de una rueda dentada motriz, una o varias ruedas dentadas conducidas y un tramo de cadena unido por ambos extremos que engrana sobre las ruedas dentadas. La flexibilidad de la transmisión es garantizada con la cadena, la cual consta de eslabones unidos por pasadores, que permiten asegurar la necesaria flexibilidad de la cadena durante el engrane con las ruedas dentadas. En el caso más simple, la transmisión por cadena consta de una cadena y dos ruedas dentadas, denominadas ruedas de estrella, ruedas dentadas o sprockets, una de las cuales es conductora y la otra conducida la impulsora se conoce como piñón y la impulsada corona, pero la característica fundamental que las diferencia es que este tipo de transmisión es de entrega de potencia constante, en la siguiente imagen se muestra los elementos mecánicos que conforma la transmisión por cadena descritos anteriormente.

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Fuente: Spain (2007)Figura 2: Sistema básico de transmisión de potencia Siguiendo el mismo orden de ideas, la Formula SAE tiene como finalidad despertar en los jóvenes estudiantes el interés por desarrollar los conocimientos sobre el diseño automotriz ya que dentro de las pruebas que se realizan en la competencia buscan llevar al máximo el vehículo, cabe mencionar que dichas pruebas tienen como principal prioridad ver cómo se comportan los sistemas que conforman dicho monoplaza. Para así descartar cual está mejor diseñado, es ahí donde entra por parte de los participantes de implementar los diseños que sean más sencillos y simples pero que cumplan su prometido, es por ello que a la hora de diseñar los dispositivos se debe realizar con la mayor precaución teniendo en cuenta que la seguridad es lo principal.

Uno de los principales sistemas que se deben tener precaución a la hora de diseñar es el sistema de transmisión ya que se debe calcular una buena relación para la transmisión de potencia. Según el manual CEAC Del automóvil (2004) “las transmisiones han evolucionado, pasando por tres etapas definidas: de piñones desplazables, de toma constante y sincronizadas” (p.882). Es por ello que la mayoría de los vehículos monoplaza que participan en Formula SAE a la hora de diseñar la transmisión continuamente utilizan un sistema de transmisión de potencia a través de cadena piñón, corona y eslabones articulados que se adaptan a ruedas dentadas, estás hacen el efecto de poleas, formando un engrane.

Cabe destacar que esto es aplicable cuando las distancias entre los centros de los árboles conductor y conducido es demasiado corta para usar correas y demasiado largas para utilizar engranajes, es ahí donde la elección del diseñador a la hora de innovar en lo que respecta a la construcción de transmisión de un vehículo es en jugar con la relación de los diámetros del piñón y la corona y posterior a ello la distancia entre centros para así lograr que se transmita la velocidad optima a las ruedas. En la siguiente imagen se muestra de forma específica este tipo de transmisión aplicada a un Formula SAE.

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Fuente: www.liderendeportes.com (2010)Figura 3:Sistema de transmisión por cadena, piñón corona de un Formula SAE Piñón Dentro de los elementos que componen el sistema de transmisión se encuentra el piñón que según Mott (2006) se define como “al engranaje de menor tamaño y el cual tiene la finalidad de transmitir la potencia hacia la corona “(p.200). La corona o catalina es el engrane de mayor tamaño y es aquel que es el impulsado, esto ocurre a través de una cadena la cual es un elemento que posee eslabones que engranan con ruedas dentadas (piñones) y que están unidas a los ejes de los mecanismos conductor y conducido estos a su vez transmitirán la potencia requerida para permitir el movimiento del sistema mecánico en donde esté funcionando.

Cálculos del Piñón En el caso de diseñar la transmisión de un vehículo monoplaza se debe tener en cuenta los componentes que van a transmitir la potencia al suelo, además se debe contemplar todos los aspectos relacionados con el desempeño del motor, las relaciones de la caja de cambios y el peso del vehículo, las relaciones de la caja de cambios son necesarias para calcular el torque que se entregara al sprocket, es decir el piñón por su nombre en español, el cual posterior a ello se utilizara en el cálculo de la relación de arrastre – catalina donde se comprobara el giro que posee el piñón con respecto a la corona es decir cuantas vueltas da para que gire la corona. El grupo formula SAE de la Universidad Fermín toro cuenta con un motor Kawasaki zx6 el en su manual de fabricación muestra una tabla de relación de velocidades que se muestra a continuación.

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Cuadro 1 Relación de velocidades motor zx Velocidad de la caja Rp TOTAL (2,42) 1ª 2,714

Relación de engranajes

2ª 2,200

(33/15)

3ª 1,850

(37/20)

4ª 1,600 5ª1,421

(32/20) (27/19)

6ª1,300

(26/20)

(38/14)

Fuente: Manual Kawasaki (2008) El peso que se tiene en cuenta para realizar los cálculos respectivos, corresponde a todo el vehículo, tanto la masa suspendida como la no suspendida, en total el vehículo tendrá un peso aproximado de 250 a 300 kg. Teniendo esto en cuenta se debe considerar como prioridad a la hora de diseñar un sistema de transmisión, es el comportamiento del vehículo en la arrancada, un buen análisis de este aspecto determina una adecuada aceleración del vehículo y una eficiente utilización de potencia entregada por el motor. Por otra parte el cálculo o selección del piñón se hace sencillo ya que el motor de fábrica trae un piñón de 16 dientes el cual está ya capacitado para soportar la potencia máxima y el par máximo del motor que según el manual de Kawasaki zx6 (2008) “la potencia máxima es 91,9 kW (125 PS) @14.000 r/min (rpm) y el par motor 66,0 N•m (6,7 kgf•m) @11.700 r/min (rpm). en la siguiente imagen se muestra el motor y el piñón de la moto

Fuente: FSAE UFT (2013)Figura 4:Motor y piñón moto Kawasaki zx6 Conforme a la información anterior existe una manera de calcular el torque necesario en las ruedas la cual mediante un diagrama de cuerpo libre del vehículo a una inclinación de 30° con respecto 198

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a la horizontal todo esto se aplica en carros de tracción trasera para comprobar y hacer mejoras en la adquisición del torque ya que de lo contrario no se aprovecharía al máximo lo que dificultaría el rendimiento del vehículo en pista la siguiente imagen muestra el ejemplo de un diagrama de cuerpo libre realizado a un vehículo de monoplaza de carreras .

Fuente: Suarez (2011)Figura 5:Diagrama de cuerpo libre prueba de 30° El diagrama tiene en cuenta la fuerza de arrastre aerodinámico que depende de la velocidad y el instante de arranque es cero, por recomendación de expertos en el tema , la distribución del peso de los vehículos de tracción trasera debe ser de 40% de la carga soportada por las ruedas frontales y el 60% de la carga soportada por las ruedas traseras, esta configuración busca aumentar el agarre a la pista de las ruedas traseras y evitar perdida de potencia por el deslizamiento todo esto se calcula en pro de hallar una buena relación arrastre catalina adecuada para una buena aceleración del vehículo.

Calculo de la Corona El cálculo de la corona con relación a las ecuaciones del Piñón específicamente la ecuación 7 es sencillo conociendo el número de dientes del Piñón de arrastre que para efectos de esta investigación y con lo mencionado anteriormente el grupo de investigación tiene el motor Kawasaki zx6 el cual posee un piñón de 16 dientes el cual es una ventaja para efectos de los cálculos y costos de la futura construcción del monoplaza, claro está que a la hora de calcular el número de dientes de la corona estos deben dar en lo posible un numero par para que sea más fácil jugar con dichos valores y den una mejor comodidad a la hora de realizar algun cambio que permita conseguir la mayor efectividad del sistema de transmission.

Cadena Mott (2006) define a la cadena como “un elemento de transmisión de potencia formado por una serie de eslabones unidos con pernos” (p.283). El diseño de las cadenas permite tener flexibilidad y permite además transmitir grandes fuerzas de tensión, cuando se transmite potencia entre ejes giratorios la cadena entra en ruedas dentadas correspondientes llamadas catarinas. El tipo de cadenas más común es la cadena de rodillos, en la que el rodillo sobre cada perno permite tener fricción 199

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excepcionalmente baja entre la cadena y la Catarinas, claro está existen otros tipos que comprenden una variedad de diseños de eslabones extendidos, y se usan principalmente en aplicaciones de transporte o maquinas que requieren transmitir grandes potencias.

La cadena de rodillos se caracteriza por su paso, que es la distancia entre las partes correspondientes de eslabones adyacentes, la cadena de rodillos estándar tiene designación de tamaño del 40 al 240, esta siglas tiene su significado aparte del 0 los números que lo anteceden representan el paso de la cadena y el ancho de los eslabones, por ejemplo, una cadena de numero 100 tiene un paso de 10/8 o 1 ¼ de pulgada. Una serie de tamaños para trabajo pesado contienen un sufijo H en la identificación como por ejemplo 60H, tiene las mismas dimensiones básicas que la cadena estándar del mismo número pero sus placas laterales son más gruesas. Además están los tamaños menores y más ligeros para los trabajos en los cuales sean necesarios.

Cálculos de Esfuerzos Según Romero (2003) “los esfuerzos mecánicos actúan sobre los elementos como esfuerzos de compresión, flexión, tracción, torsión y cortadura provocando así las tensiones” (p.174). Cabe mencionar que las tensiones no aparecen únicamente como consecuencia directa de transmitir fuerzas o energías , sino que también se puede dar por la aparición de fenómenos secundarios que acompañan a los cambios del elemento donde esté siendo sometido, Conforme a lo anterior mencionado se debe saber que al tener la relación entre el Piñón de arrastre y la corona además del torque generado por el motor se puede calcular la carga ejercida sobre la cadena y así seleccionar la referencia adecuada para el caso donde se requiera ya que qué lo contrario un mal dato puede propiciar un gasto innecesario ya que si el paso de la cadena no coincide con el de la corona y el Piñón no funcionara.

De esta manera el cálculo de la cadena se puede reducir de gran manera ya que actualmente el grupo de Formula SAE de la universidad Fermín toro cuenta con el manual de fabricante el cual proporciona las especificaciones de la cadena esta es una ENUMA EK520MVXL1que corresponde al fabricante y al número de la cadena, cabe destacar que esta cadena tiene posee 112 eslabones y un paso de 5/8 de pulgadas que indica el número 5 que se encuentra en el código de la cadena, si no se tiene el diámetro de la corona se debe calcular para así tener más claro los datos y poder determinar el torque en el cual está sometida la misma corona y las tensiones que sufre la cadena cuando esta se le aplica el torque necesario cabe destacar que si la cadena seleccionada no cumple con las características puede crear fallas en el sistema de transmisión es decir puede romperse lo que paralizaría el movimiento del vehículo.

Tensor Según Acebes (2005) un tensor funciona para “mantener tensada la cadena y compensar los efectos del desgaste” (p.141). entre otras palabras el tensor dependiendo del tipo consiste en un 200

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elemento de caucho plástico ,o en su defecto metálico muy resistente al desgaste que se aplica contra la cadena con una presión constante , este es capaz de absorber las holguras que van produciéndose a lo largo de la vida de la cadena manteniéndola cadena tensa durante su funcionamiento y esto a su vez asegura que la cadena trabaje de mejor manera , cabe mencionar que las cadenas largas van guiadas mediante rieles que evitan que se produzca vibraciones con los cambios de régimen del motor, los rieles guías se montan en el lado contrario del tensor.

Tensión en la Cadena La tensión constituye una forma primordial en la instalación de la transmisión ya que esta si es en exceso lograría daño fatales en la caja de cambios como ejemplo la rotura de los engranajes internos de la caja de cambios esto conllevaría a existencia de costos en la reconstrucción de la misma y se perdería tiempo en su reparación, es por ello que a la hora de tomar dicha tensión por otra parte existe el Tensado adecuado de la cadena en una transmisión. Para un montaje horizontal con cargas de impacto según Acebes (2005) “recomienda y = (0,02…0,01) .a, con carga suave y =0,04.a. Para un montaje vertical se orienta y = 0,01.” (p.148). Esto se puede apreciar en la siguiente de mejor manera en la siguiente imagen.

Fuente: FSAE rules (2013) Figura 9: Tensión en montaje vertical y horizontal de cadenas

Naturaleza del Estudio La elaboración de una propuesta de diseño para el carro de Formula SAE de la universidad Fermín Toro, está ubicada en la modalidad de un proyecto factible, la cual consiste en una propuesta para solucionar problemas, apoyada en una investigación de campo, de carácter descriptivo y documental, 201

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con la finalidad de dejar un sistema de información que sirva para el ensamblaje del vehículo, planteando acciones que aseguren la confiablidad del mismo.

Diseño de la Investigación El diseño de la investigación es de tipo no experimental transseccional descriptiva. Hernández y Otros (2004) reseña: “Los diseños de investigación transaccional recolectan datos en un solo momento, en un único tiempo” (p.270). El estudio será realizado en un solo período de tiempo, por ello se enmarca en este tipo de diseño. Así mismo, este autor, explica que los diseños de investigación transaccionales pueden ser exploratorios, descriptivos y correlaciónales causales. Para el caso de la investigación es de tipo descriptivo debido a que el estudio debe recolectar y analizar información acerca de una variable, la cual es sistema de transmisión de potencia, Hernández y Otros (2004) explica: “Tiene como objetivo indagar la incidencia y los valores en que se manifiestan una o más variables o ubicar, categorizar y proporcionar una visión de una comunidad, evento, contexto, fenómeno o una situación” (p.273).

Fases de la Investigación Diagnóstico Esta etapa tiene como función, revalidar el cumplimento del primer objetivo específico planteado en la investigación, y posterior a ello la aplicación de la metodología prevista, dicho objetivo principal fue enunciado de la siguiente manera: Especificar los distintos diseños de trasmisiones que estén bajo los requisitos de Formula SAE, para llegar consecutivamente a la innovación de un sistema de transmisión óptimo. Ahora bien debido a esta situación nacen un conjunto de actividades las cuales serán la metodología a seguir para el cumplimiento del primer objetivo de la investigación dichas actividades son: 1. Organizar estrategias de aprendizaje para un mejor adiestramiento de transmisiones de cadena optima con la finalidad de que se adapte con este tipo de vehículo monoplaza.

2. Realizar visitas a talleres y otras universidades que tengan experiencia en FSAE. 3. Realizar investigaciones referentes a transmisiones de cadena.

4. Realizar entrevistas a los expertos en el área.

5. Hacer un análisis de los componentes que se deben integrar en la transmisión para así buscar su eficiencia.

6. Investigar manual de especificaciones técnicas de Formula SAEUFT.

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Factibilidad En esta segunda fase se destaca los aspectos técnicos, operativos y económicos, los cuales generaran la perspectiva de que tan factible es la propuesta para garantizar el éxito de la investigación realizada es por ello se cita el segundo objetivo de dicho proyecto de investigación el cual es Estudiar la factibilidad técnica, costo y operativa del proyecto para así lograr determinar la viabilidad del proyecto esto se realiza con la propósito de poder escoger elementos del vehículo monoplaza como lo es el sistema de transmisión todo esto con el motivo de que puedan ser funcionales y a las vez más económicos para así tener un prototipo que pueda estar entre los parámetros disponibles y a nivel de lo exigido por Formula SAE. Diseño En esta tercera fase está comprendida por el procedimiento en el cual se dará la solución del problema o por la función que intenta llevar a cabo lo establecido en el tercer objetivo el cual se cita como Determinar las condiciones más recomendables para el diseño a través de las teorías de elementos de máquinas con la ayuda del software de simulación como solidworks. Ante esta necesidad se efectuarán una serie de actividades para el desarrollo del objetivo, presentadas de la siguiente manera: Obtener el torque del motor Calcular el torque real y el requerido del motor.

Seleccionar el Tipo de Piñón a Utilizar.

Realizar cálculos pertinentes al piñón entre ellos el º n de dientes torque que actúa sobre él.

Simular las Características del Piñón en el Software Solidworks.

Seleccionar el Tipo de Corona a Utilizar.

Realizar los cálculos pertinentes de la corona torque, ºn de dientes diámetro. b) Simular las Características del Piñón en el Software Solidworks.

Determinar el Tipo de Cadena.

Seleccionar la Cadena con el Mismo Paso, Longitud de Dientes Existentes en los Catálogos.

Calcular la fuerza que actúa en la cadena.

Determinar la longitud de la cadena Determinar la distancia entre centros.

Diagnóstico En esta parte del proyecto de investigación fue necesario realizar el análisis e interpretación de los resultados arrojados por las técnicas e instrumentos ya mencionados, los cuales fueron aplicados para la recolección de información y para determinar de una forma rápida y precisa la situación real donde se logre aportar las mejores soluciones a la elección del diseño de transmisión.

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A través de la observación directa se logró tener un enfoque más real de lo que se necesita en la transmisión del monoplaza, con la implementación de dicha herramienta, los estudiantes pertenecientes al departamento de transmisión del equipo Formula SAE de la Universidad Fermin Toro lograron organizar diferentes estrategias de aprendizaje como visitas y reuniones con algunos equipos de otras Universidades y a talleres de mecánica automotriz, cabe destacar que las transmisiones utilizadas en vehículos convencionales son muy distintas a las de un carro tipo Formula SAE, sin embargo dichas visitas permitieron ver las distintas características que componen una transmisión, como lo son las relaciones de engranajes, número de dientes, tipo de engranajes, embragues, discos entre otras partes que conforman una caja de velocidades. En la siguiente imagen se puede apreciar algunas las distintas transmisiones observadas en dichas visitas.

Con la misma herramienta en la visita realizada a la Universidad Central de Venezuela (UCV), pioneros en los eventos SAE, se apreció el vehículo 2013 con las características de transmisión tipo cadena y diferencial torsen que sirvió de base para el desarrollo de un modelo de transmisión óptima para el vehículo que se está desarrollando el grupo de Formula SAE de la Universidad Fermin toro.

Fuente: FSAE UFT (2013) Figura 11: Sistema de transmisión de potencia Seguidamente utilizando la entrevista no estructurada, aplicada a mecánicos de primera y juicios de expertos se jerarquizaron los requerimientos básicos para recrear el Modelo de transmisión más eficiente para el tipo de vehículo Fórmula SAEUFT resaltando en sus recomendaciones una transmisión de piñón, cadena y corona ya que son capaces de transmitir la potencia de mejor manera, con alta eficiencia, y vibración reducida, a velocidades y cargas que exceden la capacidad de otras tipos como 204

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las de bandas. Agregando también que el sistema de cadena da una cierta elasticidad que ayuda a iniciar el movimiento, que garantizan que los engranajes internos de la caja del motor se les prolonguen su vida útil.

Finalmente la revisión bibliográfica permitió extraer ideas y apreciaciones al conmutar diversos enunciados de teóricos expertos en mecánica, destacando a Budynas y otros (2008) en su libro que tiene como título “Diseño en ingeniería mecánica de Shigley” en donde se encuentran todos los criterios de selección de transmisiones, mediante fórmulas y tablas normalizadas por las distintas instituciones a nivel mundial como la ANSI (Instituto Nacional Americano de Estándares) entre otras.

Garantizando la mejor metodología a la hora de diseñar una transmisiones de cadena.

Factibilidad La fase de factibilidad, consiste propiamente en indagar acerca de si el proyecto es realmente posible y pueda ser de interés, por ello se cita el segundo objetivo de la investigación: “Estudiar la factibilidad técnica, costo y operativa del proyecto para así lograr determinar la viabilidad del trabajo de investigación”. La factibilidad se clasificar en tres tipos: factibilidad económica, factibilidad Técnica y factibilidad operativa.

El análisis de factibilidad técnica-operativa evalúa si el equipo está disponible y si tiene las capacidades técnicas requeridas por cada alternativa del diseño que se esté considerando. Seguidamente podemos decir que este trabajo de investigación es técnicamente factible ya que la Universidad Fermin Toro cuenta con herramientas e equipos especializados como tornos, fresadoras máquinas de soldar entre otros, fundamentales para llevar acabo cualquier trabajo, además para efectos de diseño los componentes de la transmisión cadena, piñón, corona, tensores se encuentran en una amplia variedad en el mercado.

En cuanto a la factibilidad operativa la institución también posee un personal totalmente capacitado que aporta asesoramiento profesional en el área de trabajo. Cabe destacar que en el grupo de Formula SAEUFT en su mayoría cuenta con estudiantes de ingeniería en mantenimiento mecánico de semestres avanzados en donde han visto materias como laboratorio de procesos, soldadura, elementos de máquinas que son materias fundamentales para llevar a cabo un proyecto de tal magnitud, ya que poseen la capacidad de diseñar y construir los componentes necesarios para la transmisión.

Los estudios de factibilidad económica incluyen análisis de costos y beneficios asociados con cada alternativa del proyecto. Con análisis de costos/beneficio, todos los costos y beneficios de adquirir y operar cada parte de la transmisión se identifican y se hace una evaluación de los mismos. Donde se comparan los costos esperados de cada uno y con los beneficios esperados para asegurarse que estos excedan a los costos. Para finalizar este proyecto es factible económicamente .

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Diseño El motor que se utilizara en el vehículo monoplaza corresponde al de una motocicleta modelo Kawasaki zx-6R el cual cumple con los requisitos que exige las normas de la competencia. En la siguiente imagen se puede apreciar el modelo de la moto.

Fuente: www.kawasaki.es/ZX-6R/Specifications: (2013) Figura 12: Kawasaki ZX-6R

El motor posee las siguientes características: 1. Refrigeración por agua, 4 tiempos, 4 cilindros en línea.

2. Cilindrada 599 cm³.

3. Diámetro x Carrera 67,0 x 42,5 mm 4. Relación de compresión 13,3:1 5. Sistema de válvulas DOHC, 16 válvulas 6. Sistema de Alimentación 7. Inyección de combustible: Ø 36 mm x 4 (Keihin) con mariposas 8. Encendido Digital 9. Arranque Eléctrico 10. Lubricación forzada, cárter mojado 11. Potencia máxima 12. 91,9 kW (125 PS) @14.000 r/min (rpm), 13. Par máximo 66,0 N•m (6,7 kgf•m) @11.700 r/min (rpm), Para este proyecto el motor viene con un sistema de embrague y una caja de cambios que entrega la potencia a un engranaje de 16 dientes mediante una cadena ENUMA520. Cabe destacar que el agarre de un vehículo de carreras en pista es fundamental por esto los integrantes del departamento de

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transmisión y con asesoramiento de expertos facilitaron una tabla donde calcularon el torque que recibe las ruedas traseras del vehículo.

Cuadro 4 Estudio del torque que deben soportar las ruedas traseras

Fuente: FSAE UFT (2013)

Utilizando el torque estándar que transmite motor, se calcula el torque que recibirá el piñón, obtenido este valor se procede a calcular el torque que recibe el piñón directamente utilizando los valores del cuadro 1. Conseguido el torque del piñón, Es importante saber que la arrancada del vehículo debe ser eficiente para garantizar la mejor salida del mismo, por ello se procede a calcular la relación que debe existir entre el piñón y la corona utilizando el torque requerido ubicado en el cuadro nº 4.

Ya calculados los datos del piñón se procede a realizar los de la corona, Teniendo en cuenta la relación calculada y conociendo que el número de dientes que posee el piñón el cual es de 16, el número de dientes debe ser entero para que pueda ser comercial por eso se toma una corona de 50 dientes.

Por estudios de costos en el mercado se encuentra una corona Kawasaki que posee estas especificaciones 207

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y garantizan que tendrá una mayor vida útil. El paso del piñón y de la corona es de 15,875 mm que corresponden al de una cadena tipo 520.

Fuente: www.autopartsunrise.com (2013) Figura 13: Tabla de cadenas para motos de altas Rpm Ahora bien para conocer fuerza en la cadena se debe saber primeramente encontrar el diámetro de la corona, obtenido el diámetro de la corona se procede a calcular el torque que tendrá la corona . El torque en la corona se calculó con la primera relación de la caja de cambios ya que en ella se entrega la mayor cantidad de torque. Seguidamente Se calcula la fuerza que actúa en la cadena.

Cuadro 5Factores de servicio para cadenas

Fuente: Esquivel, D (2008)

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Se eligió el factor de servicio 1,2 debido a las cargas que soportara la cadena y por el tipo de impulsor correspondiente a un motor de combustión interna.

Después de haber obtenido todo esos valores se debe calcular la distancia entre ejes y la longitud de la cadena, aunque dichos valores se pueden ajustar dependiendo de la exigencia del diseño. Para adaptar la longitud de la cadena y compensar el desgaste. Debe existir una relación conveniente entre la distancia central , la longitud de la cadena , el número de dientes en la rueda dentada pequeña y el número de dientes de la rueda grande, para garantizar el mejor rendimiento y aprovechamiento de torque del motor a sus components.

Luego de haber realizado los cálculos teóricos, se procede a realizar las simulaciones mediante el software de trabajo solidworks, a los componentes individuales de la transmisión, en donde se le aplicaran cargas en puntos específicos del mismo y ver como se comportarían las piezas en una situación real.

La simulación inicial es el del piñón ya que es el elemento principal del sistema en recibir la potencia del motor.

Ahora bien la primera simulación que se le realiza es en base al esfuerzo máximo que soporta un diente, teniendo en cuenta que este es el punto más común de fractura en un engrane. Claro está para realizar esta simulación se debe conocer la fuerza que se le aplicara al Piñón, recordando que el torque a utilizar es el que se calculó en el Piñón anterior mente luego el radio del Piñón se toma como distancia y se despeja la fuerza . Esta fuerza es la que se le aplica a la simulación , cabe destacar que esa misma fuerza se usa para hacer la segunda simulación del Piñón la cual consiste en ver el desplazamiento.

Ahora bien ya realizada las simulaciones del Piñón se realiza mediante el mismo procedimiento la de la corona solo que en este caso se usa el torque que recibe la corona que de igual manera está en los cálculos anteriores. Ahora bien se sustituye y se despeja la fuerza.

Esta fuerza es aplicada en la simulación y se obtiene el desplazamiento que puede tener la corona y el esfuerzo torzor en un diente.

Conclusiones 1. Se identificaron los distintitos diseños de transmisiones con todas sus características, y Mediante herramientas como observación directa, entrevistas no estructuradas y revisión bibliográfica para así se seleccionar la de cadena piñón y corona por su facilidad de obtención, especificaciones mecánicas las cuales garantizan que su trabajo será eficiente.

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2. En el estudio de factibilidad técnica-operativa y económica en el desarrollo de la investigación ya que se cuentan con los recursos necesarios para el desarrollo del proyecto, De la misma manera, resulta más económico invertir en la compra de las partes de la transmisión que en construirlas.

3. Se estableció la metodología a utilizar, donde de acuerdo al estudio de los elementos de máquinas, se ha realizado el sistema de transmisión siguiendo los parámetros establecidos y todas las recomendaciones para la configuración del mismo, además determino que las dimensiones del carro donde ira ubicada la transmisión, pista en donde competirá y del centro de gravedad inciden en la dinámica del vehículo, maximizando o equilibrando las acciones de la transferencia de potencia ante acciones como arrancadas y altas velocidades.

4. Se pudo concluir que mediante el software Solidworks se logró hacer la simulación de los componentes individuales del sistema de transmisión en condiciones reales, por lo tanto se pudo notar algunos puntos críticos de la misma que complementan los cálculos realizados.

Recomendaciones

1. La transmisión de un carro es unos de las partes más importantes y fundamentales de crear es por ello que al momento de diseñar las diferentes partes del sistema de transmisión se debe tomar en cuenta todos los aspectos de diseño y el lugar donde tiene que desenvolverse para así garantizar el mejor desempeño del monoplaza en pista.

2. Para caso ideales diseño de la transmisión se recomienda realizar en un programa de dibujo asistido por computadora los componentes que se va a incorporar a la transmisión para así reforzar los cálculos realizados teóricamente.

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE SUSPENSIÓN TIPO PUSH ROD PARA EL PROTOTIPO DE VEHÍCULO MONOPLAZA 2014 DEL EQUIPO FÓRMULA SAE DE LA UNIVERSIDAD FERMÍN TORO

Autor: Br. Martin Pacheco B. Ingenieria de Mantenimiento Mecanico fsaeuft@hotmail.com Año: 2014

RESUMEN Ésta investigación se hace con la finalidad de diseñar y construir un sistema de suspensión tipo push rod para el prototipo 2014 del vehículo Formula SAE de la Universidad Fermín Toro, el mismo se enmarca dentro de la modalidad de Producción de Ingenio debido a que resuelve de manera inmediata la carencia de uno de los elementos del prototipo, aportando así la solución al problema del Grupo de Investigación Formula SAE-UFT con la construcción del sistema de suspensión óptimo para la competencia. La investigación se enmarca dentro del Eje Rector: Proyectos y Máquinas; cuya línea de investigación es “Diseño rediseño y optimización de sistemas productivos, máquinas, equipos y dispositivos que fomentan nuevas tecnologías, siguiendo las políticas de investigación de la Universidad Fermín Toro”.

Se utilizaron herramientas como la recolección de datos a través de la observación directa, entrevistas no estructuradas y revisión bibliográfica. La investigación contiene introducción, justificación, descripción del producto, procedimientos utilizados para la producción y por último la modelización. Descriptores: Diseño, Sistema de Suspensión, Formula SAE.

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Introducción Hoy en día que se desarrollaran diferentes áreas del sector automotriz como por ejemplo vehículos de uso diario o particular, vehículos de carga, transporte masivo, deportivos, entre otros, que son producto de años de estudios y experiencia que se observa en países como Estados Unidos, Alemania, Italia, Japón e Inglaterra que son los líderes mundiales en cuanto al sector automotriz. Por eso se crea una expectativa en cuanto a la participación de Venezuela como uno de los países que pueda llegar a liderar el desarrollo automotriz en un futuro. Una de las formas en las que se incentiva a tener este tipo de participación es a través de las competencias de ingenio automotriz como por ejemplo Fórmula SAE, que a través del ingenio de los estudiantes se busca desarrollar un prototipo de vehículo de carreras para ser probado y evaluado en una competencia internacional.

Una prueba fiel de que a través de la participación en categorías de competencia se puede lograr el conocimiento para el diseño en general de todo tipo de vehículos fue dada por el mismo Ferdinand Porsche, quien afirmaba que: “lo que es bueno para el rendimiento en carretera, es bueno también para la competición y, tras un detenido examen, se puede llegar a la conclusión de que participar en las carreras automovilísticas podría ser muy positivo.” Esto intenta expresar que a través de la participación en competencias de vehículos se puede lograr el desarrollo del sector automotriz común.

En el 2008 la Universidad Fermín Toro al recibir una charla por un estudiante de una de las universidades venezolanas participantes, decidió integrarse a esta competencia, pero fue a mediados del 2012 que se consignó un Grupo de Investigación de la universidad llamado Fórmula SAE-UFT integrado por estudiantes de las distintas carreras, éste Grupo de Investigación busca la preparación completa, organizada y experimental de profesionales competitivos, para desarrollar el diseño y posterior construcción de un vehículo Fórmula SAE para competir a nivel internacional.

La importancia de este trabajo de investigación, es crear esa base de datos de diseño automotriz referente al sistema de suspensión con la que antes no se contaba, lo que producirá un desarrollo en el grupo que permitirá mantener una motivación en sus integrantes con ideas innovadoras de cómo diseñar una suspensión más eficiente ya que se contará con el estudio de una primera propuesta que será construida para ser evaluada en una primera competencia.

Justificación Esta investigación se realiza con el objetivo de comenzar a crear una base de datos para el Grupo de Investigación Fórmula SAE-UFT por medio de la creación de un diseño de un sistema de suspensión optimizado para un vehículo de carreras tipo monoplaza, la cual será construida por los integrantes del grupo, con el objetivo de realizar un aporte al vehículo que será llevado a competir en Michigan, es una ventaja para el grupo contar con las propuestas técnicas actualizadas ya que resulta más fácil

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discutir los convenios a la hora de captar patrocinantes, bien sea con apoyo monetario, o en bienes y servicios, ya que se contaría también con el precio estimado de construcción y la lista exacta de materiales requeridos para fabricar la suspensión del prototipo.

En un futuro, el Grupo de Investigación Fórmula SAE-UFT piensa también ocupar un lugar a nivel nacional en el impulso del diseño automotriz, es decir, aprovechar todo el conocimiento y la base de datos, para comenzar a crear propuestas no sólo de vehículos de carreras Fórmula SAE, sino otro tipo de vehículos como particulares, compactos, camionetas, de transporte público, que puedan ser construidos económicamente, para contribuir con el desarrollo automotriz del país y contrarrestar un poco una reciente crisis económica en el sector automovilístico ya que las grandes empresas que se encuentran en el país no cuentan con los recursos para traer las partes importadas y ensamblarlas; tal como lo pensaba Porsche y fue mencionado anteriormente, crear vehículos de carreras para luego crear automóviles de calle.

A través del desarrollo de éste trabajo se busca crear un sistema de información en el Grupo de Investigación Fórmula SAE-UFT que permita recoger criterios de diseño para la elaboración de futuras suspensiones para vehículos de competencia, así como también solventar de manera inmediata la carencia de uno de los elementos más importantes de un vehículo de carreras, la suspensión, que es el componente que reparte las fuerzas dinámicas a lo largo del chasis para mantener y garantizar la estabilidad y el manejo del carro.

Descripción del producto El producto es un sistema de suspensión tipo Push Rod, para la suspensión de un vehículo de Fórmula SAE. Sistema de Suspensión En sí, el sistema de suspensión no sólo es el que absorbe las vibraciones transmitidas a la cabina por la carretera disminuyendo la pérdida de confort, sino también es el conjunto de elementos que mantienen en contacto las ruedas con la carretera garantizando el control y la estabilidad del vehículo basado en las definiciones dadas por Cruz y Mesías (2013). Más específicamente estos mismos autores señalan una serie de objetivos que debe cumplir un sistema de suspensión, que a continuación se mencionan: Proporcionar un comportamiento vertical tal que los desniveles del terreno, aislando a la carrocería de las irregularidades de la carretera, mantener la posición de los neumáticos y la geometría de la dirección en perfecto estado de funcionamiento respecto a la superficie de la carretera, reaccionar a las fuerzas de control que se transmiten desde las ruedas fuerzas longitudinales (aceleración y frenado), fuerzas laterales

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(en el giro), y pares de la dirección y frenado, resistir el balanceo de la carrocería, y mantener las ruedas en contacto con la calzada con variaciones mínimas de carga.(p. 1).

Dado que este trabajo de investigación se centra en el diseño de los componentes de la suspensión de un vehículo Fórmula SAE, propiamente un auto de carreras, es necesario saber que el cálculo mecánico de los distintos elementos como el rocker, la barra Push Rod, los brazos wishbone y los resortes, dependen de una serie de fuerzas actuantes que, parafraseando a Innocenti (2013), se pueden extraer del cálculo de aceleraciones y fuerzas laterales y las cargas en las ruedas.

Dichas ecuaciones propuestas por Innocenti para las cargas en las ruedas y las fuerzas laterales a las que será sometido el vehículo en el análisis dinámico, dependen primero de una serie de datos que solamente son obtenidos una vez que se cuente con la geometría y dimensiones del sistema de suspensión ya que de aquí, basado en las restricciones propuestas para la categoría Fórmula SAE, se obtienen la distancia entre ejes o track, el ángulo de camber y caster, y esto a su vez depende de un estudio de movimiento para localizar los centros de rotación (roll center) así como la posición del centro de gravedad de las masas suspendidas.

Configuración Geométrica de la Suspensión para un Análisis Dinámico Dentro de los tipos de suspensión se pueden clasificar dos grandes tipos, la de eje rígido y la de sistema de ruedas independientes, según el Manual CEAC del Automóvil (2004) un sistema de eje rígido “está compuesto por un eje de una sola pieza, en cuyos extremos se acoplan las ruedas. Los muelles de suspensión se colocan entre el eje y el bastidor. Dado que el eje conecta ambas ruedas, todo el movimiento que afecte a una de ellas se transmite a la otra.” (p. 668) Esto significa que cuando por ejemplo una rueda se eleva, hay una inclinación del eje y también de las ruedas, produciendo un bamboleo en la carrocería y una tendencia al resbalamiento lateral de las ruedas, al tiempo que hace insegura la dirección, como también lo mencionan en ese mismo libro.

Otro tipo de suspensión es la de ruedas independientes, en la que cada rueda va montada con su propio sistema elástico y de articulación al bastidor, también el Manual CEAC del Automóvil menciona que en este tipo de suspensión “los movimientos de una rueda no se transmiten a la otra. Cada conjunto de rueda y resorte absorbe y compensa las oscilaciones de forma independiente, y como disminuye la masa no suspendida, la carrocería no se ve afectada por las vibraciones.” (p. 669). Son muchas las variantes dentro de este tipo de suspensión, que han partido de estudios en diferentes años, en los que se han desarrollado como resultado diferentes configuraciones de una misma suspensión independiente pero cada una con ciertas ventajas y desventajas particulares, en la imagen mostrada a continuación, se muestran las diferencias más notables entre el sistema de suspensión de eje rígido y de ruedas independientes.

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Fuente: Manual CEAC del Automóvil (2004) Figura 1: Suspensión de eje rígido y de rueda independiente Dentro de los sistemas de suspensiones independientes, la configuración tipo McPherson como su nombre lo indica fue diseñada por el ingeniero norteamericano Earl S. McPherson en 1951 para su propio uso en el modelo Ford Consul. Dicha suspensión se compone de un amortiguador (conjunto shock absorber o atenuador y espiral), y una sola meseta o brazo de control inferior.

Muchos equipos de Fórmula SAE actualmente usan solo dos tipos de suspensión, la de tipo Push Rod y la de tipo Pull Rod, haciendo notar que las diferencias entre ambas es que la Pull Rod, permite posicionar los amortiguadores en la parte baja del vehículo, logrando un centro de gravedad más bajo dándole mayor estabilidad, además de que por estar una barra en tensión, puede llegar a construirse de materiales más ligeros, mientras que la Push Rod, permite lograr un mayor espacio para las piernas del piloto, así como permite tener un mayor control del equilibrio del vehículo, además que por estar en la parte superior, su manipulación es más fácil. Por ejemplo, en el siguiente extracto de un video se puede notar donde va posicionada la de tipo Pull Rod, y seguido a él otra imagen tomada del equipo de Fórmula SAE del Politécnico de Torino que usa suspensión tipo Push Rod.

Fuente: FormulaSAEforums.com (2013) Figura 2: Suspensión tipo Pull Rod en Formula SAE

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Diseño del Sistema de Suspensión Tipo Push Rod La suspensión cuenta con elementos como resortes helicoidales, barras wishbone (tijeras en V), barras Push Rod, rockers (pivotes) y una barra estabilizadora, dicha suspensión tiene como ventajas poder posicionar convenientemente los amortiguadores así como un mejor centro de gravedad, y mejor manipulación de elementos para el tuning, dichos elementos serán objeto de cálculo una vez obtenidas del análisis dinámico las fuerzas necesarias y el concepto de la geometría de la suspensión, a continuación se procede a destacar cada una de las distintas teorías de diseño de elementos de máquinas para cada uno de los componentes de la suspensión, desde los resortes, los brazos, las tijeras en V, la barra estabilizadora, los rockers o pivotes, las bases y soportes de cada elemento y las barras Push Rod y por último se mencionan las restricciones de la norma SAE que afectan el diseño del sistema de suspensión. Para ello se utilizarán las teorías de diseño propuestas por los autores Mott (2004), Faires (2006)

Fuente: ScuadraCorse-Polito.com (2012) Figura 3: Suspensión Push Rod con monoshock y Rock

Basado en las teorías de cálculo de resortes helicoidales propuestas por Faires (2006), las características de dichos resortes, serán los indicadores de esta dimensión en esta investigación, dichas características son el diámetro del alambre, el diámetro medio del resorte, la longitud, el paso y finalmente el material. Faires (2006) menciona que “el cálculo de resortes implica ordinariamente una solución de tanteo, en algunos casos limitando las dimensiones por el espacio disponible” (p. 244), esto quiere decir que una de las constantes a tomar en cuenta para el resorte es el espacio, que en este caso los resortes son vendidos en el mercado en función de su diámetro externo, el cual según Faires (2006) es el que se mide desde los extremos de afuera del resorte.

Cabe destacar que en las ruedas delanteras se necesitan cuatro (4) barras para el lado izquierdo y cuatro (4) más para el derecho, en cambio en las ruedas traseras se deben usar 5 en las ruedas izquierdas y 5 en la derecha. Esto es debido a que en el eje trasero las ruedas no pueden converger (toe) hacia adentro

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ni hacia afuera producto de las cargas laterales, por eso se debe usar una barra que controle y resista este esfuerzo en las ruedas traseras, tal como se aprecia en la Figura 4 a continuación.

Fuente: Formula SAE UCV (2013) Figura 4:Barra para control de Toe en eje trasero con suspensión Pull Rod

Características del sistema de suspensión Restricciones de la Norma SAE para Fórmula

Para el caso de éste trabajo de investigación, en el que se busca diseñar uno de los componentes de un vehículo de carreras, éste debe cumplir con una serie de restricciones postuladas cada año por la misma Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) International en este caso se basa en el reglamento de Normas de Fórmula SAE 2014, el cual regula muchos aspectos del vehículo, principalmente por medidas de seguridad ya que se pone en juego una vida humana al volante del monoplaza, estas normas no solo son de seguridad sino que brindan un estándar o modelo de referencia del cual partir para realizar el diseño del vehículo. Dicha norma se extiende ampliamente en la sección del chasis, bien sea de tubos de acero o de materiales compuestos como la fibra de carbono, pero también menciona ciertos aspectos de importancia para el diseño de la suspension por ejemplo “la distancia entre ejes menor no debe ser menor que el 75% de la distancia entre ejes mayor”, esto refiriéndose a la distancia entre las ruedas izquierdas con las derechas. A continuación se puntualizan las restricciones que afectan directa e indirectamente al sistema de suspensión del vehículo Fórmula SAE: 1. La distancia mínima entre ejes debe ser de al menos 1525mm, siendo esta distancia medida desde el centro de contacto de la rueda delantera hasta el centro de contacto de la rueda trasera.

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2. La distancia desde el suelo hasta el chasis debe ser lo suficientemente alta para no hacer contacto en ningún momento con la pista, teniendo en cuenta que las ruedas deben tener un diámetro superior a 203.21mm (8 pulg) sin tener en cuenta el neumático.

3. El vehículo debe estar equipado con un sistema de suspensión totalmente operativo con amortiguadores delanteros y traseros, con recorrido de la rueda utilizable de al menos 50.8 mm (2 pulg), 25.4mm (1 pulg) de recorrido y otros 25.4mm (1 pulg) de rebote con el conductor sentado.

4. Los jueces se reservan el derecho de descalificar vehículos que no presenten un intento serio de un sistema de suspensión para las pruebas dinámicas.

5. Todos los puntos de montaje de la suspensión deben ser visibles para la inspección técnica, ya sea por apreciación directa o al retirar cubiertas.

6. La distancia al suelo debe ser suficiente para prevenir que cualquier parte del vehículo, aparte de los neumáticos, tenga contacto con la pista.

7. La acción intencional o excesiva de contacto de cualquier parte del vehículo con los neumáticos, producirá la perdida de una carrera o un evento dinámico completo.

8. Se somete al prototipo a una inclinación lateral de 60º, con el piloto más alto dentro del vehículo, el comportamiento de la suspensión debe ser tal que no se pierda contacto de ninguna rueda respecto de la superficie del plano inclinado, con ello se deduce el buen comportamiento del vehículo en curvas.

Por último otra restricción que afecta indirectamente la geometría del sistema de suspensión es el ancho de la pista, que en este caso la norma de restricciones de Fórmula SAE 2014 las muestra a través del plano del skid pad, uno de los eventos dinámicos de la competencia, el cual consiste en dos círculos con un diámetro definido (tal cual se muestra en la Figura 5 en el cual el monoplaza debe dar dos vueltas en el primero y dos vueltas en el tercero, esto con el objetivo de medir el agarre máximo del prototipo.

Fuente: Fórmula SAE Rules (2013)Figura 5:Plano del circuito Skid Pad

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Esta serie de restricciones tienen como propósito dar unos parámetros y prohibiciones de elementos que puedan perjudicar la pista de carreras, así como también poner a prueba el ingenio de los estudiantes a la hora de diseñar en función de una serie de requisitos, incluso tomando en cuenta la seguridad ya que como se aprecia en el punto 8, se somete al monoplaza a una inclinación para observar si éste tiene tendencia al volcamiento producto de un mal diseño del sistema de suspensión.

Procedimiento utilizado para la producción El diseño del sistema de suspensión además de su construcción, mostrando además las técnicas utilizadas para el desarrollo del producto, los componentes, sus costos de fabricación o de compra, también se desarrollan técnicas de análisis por computadora utilizando software como AutoCAD y Solidworks, permitiendo el ahorro de tiempo a la hora de crear un modelo que permita estudiar de manera gráfica o mecánica el comportamiento del sistema de suspensión.

Procedimiento de diseño Antes de construir el sistema de suspensión, es necesario conocer las fuerzas que actuarán en los distintos elementos que serán objeto de estudio, y estos a su vez dependen de datos como las dimensiones seleccionadas para la suspensión a su vez dependientes del estudio dinámico que permita posicionar de manera ideal los centros de rotación Roll y Pitch para que el monoplaza no sufra de esfuerzos innecesarios y posea un comportamiento óptimo para la competencia.

Definición de la Posición del Centro de Gravedad de la Masa Suspendida.

El primer paso basado en las ecuaciones propuestas por Innocenti (2013) es realizar un análisis dinámico definiendo las dimensiones del sistema de suspensión, la distancia entre ejes, para poder determinar las distancias de las masas hacia el centro de gravedad que repartirá las fuerzas a lo largo de las ruedas. Todo esto siempre y cuando se mantenga una posición ideal de los centros de rotación. Para conocer el centro de gravedad de las masas suspendidas se realizará una comparación geométrica de los elementos con figuras conocidas permitiendo una estimación apropiada para facilitar el cálculo de la posición del centro de gravedad del vehículo.

Cálculo del Peso y Forma Geométrica del Piloto.

La Norma de restricciones de Fórmula SAE, presenta un bosquejo geométrico del piloto en la posición adecuada para manejar el monoplaza, dicha imagen fue reinterpretada y presentada con figuras geométricas equivalentes, a continuación se presenta ésta imagen donde se observa la posición del piloto

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dentro del vehículo, las medidas son expresadas en milímetros, cuyos centroides se sobreentiende que están ubicados en el centro geométrico de cada figura.

Fuente: Pacheco (2014) Figura 6: Geometría estimada del piloto Cada una de las partes que conforman la figura del piloto posee un peso particular estimado para una persona que según la Norma de Restricciones SAE 2014 se recomienda utilizar un peso de 75 Kg como peso del piloto. En la siguiente tabla se muestran los pesos de cada una de esas partes medidos en Kg. Cuadro 1 Peso del Piloto A (Pierna) B (Muslo) C (Torso) D (Brazos) E (Cabeza)

7 Kg 14 Kg 41 Kg 6 Kg 7 Kg

Fuente: Pacheco (2014)

Cálculo del Peso y Forma Geométrica del Chasis El chasis resulta un poco más complicado de equivaler a una figura geométrica, es por eso que de los datos de Buoli (2013) se extrae el bosquejo del chasis, cuyo centroide ya fue calculado previamente como se muestra en la siguiente imagen representado por un círculo verde, además de eso su peso es de 37 Kg.

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Fuente: Pacheco (2014) Figura 7:Geometría y Centroide del Chasi

Cálculo del Peso y Forma Geométrica del Motor El Grupo de Investigación posee un motor Kawasaki ZX6 cuya cilindrada es de 600cc donado por la Universidad Fermín Toro. Para el caso del motor resulta un poco más engorroso ubicar si centroide de manera exacta ya que es una forma completamente irregular como se aprecia en la Figura 8, sin embargo el Grupo de Investigación ya había logrado ubicarlo colgando el motor en diferentes posiciones y marcando con líneas verticales, una vez que se estabilizara en la forma en que éste estuviese colgando, luego en la intersección de estas líneas internamente en el motor es donde se logró estimar que estuviera ubicado el centroide del mismo. Luego, se tomó nota del peso del motor y su figura geométrica equivalente con centroide de color azul oscuro se observa también en la Figura 9.

Fuente: Pacheco (2014)Figura 8: Motor de FSAE-UFT suspendido

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Cálculo del Peso y Forma Geométrica de la Transmisión y la Batería Estos elementos actualmente son propiedad del Grupo de Investigación Fórmula SAE-UFT, y ambos fueron medidos y dibujados de manera geométrica como un cuadrado para la batería y un circulo para la transmisión cuyo centroide es fácil de ubicar sabiendo que se localiza en el centro geométrico de cada figura, esto se logra apreciar en la Figura 9 como círculos de color rojo y marrón. Una vez dibujado su equivalente geométrico se toma nota de su peso.

Cálculo del Peso y Forma Geométrica de la Pedalera y Bomba de Frenos Para este último cuerpo de masa suspendida el Grupo de Investigación Fórmula SAE-UFT determinó que el peso estimado de la bomba de frenos y la pedalera juntos puede ser de hasta 2 Kg, ya que se planea construir de aluminio para reducir su peso lo más posible. Basado en ésta teoría se procede a realizar su bosquejo para presentarlo junto a las demás masas suspendidas como se muestra en la Figura 9.

Fuente: Pacheco (2014) Figura 9: Masas Suspendidas Con el valor de la masa suspendida se procede a realizar un sistema de torque en el que se colocan puntos de apoyo en cada extremo del chasis para poder calcular la ubicación exacta del centro de gravedad del vehículo como la combinación de distancias y fuerzas de cada uno de los elementos suspendidos, esto se observa en la Figura 10 propiamente.

Fuente: Pacheco (2014)Figura 10: Centroides de Masas Suspendidas

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Definición de la Posición del Roll Center

Una vez conocida la ubicación del centro de gravedad y la disposición de los elementos dentro del chasis, se procede a calcular también la posición del Roll center, que representa un punto en el espacio alrededor del vehículo sobre el cual éste tendera a rotar cuando se incline al tomar una curva. Este punto es de vital importancia para el diseño de la suspensión ya que de la ubicación de él dependerá que las fuerzas transmitidas a los amortiguadores sean efectivas o excesivas, esto en función de que se encuentre por debajo o por encima de la línea de la carretera en una vista frontal, a continuación se procede a graficarlo intersectando las líneas de los brazos wishbone con la del centro de contacto de las ruedas.

Para esto es necesario mencionar que el Grupo de Investigación Fórmula SAE- UFT ha optado por usar rines de 13 pulgadas ( 330.2mm) por ser la medida comercial más pequeña y económica, y también porque cuenta con un juego de neumáticos Pirelli tipo Slip P-ZERO 175/50 R13 cuya altura al estar inflados es de 84.9mm y posee un ancho de 175mm, también se cuenta con un diseño previo de un Porta masas cuya altura es de 228.6mm (9 pulg) y profundidad de 47mm, éste porta masas es uno de los elementos del monoplaza que se encuentra todavía en su fase de desarrollo y por lo tanto se pueden dar recomendaciones de ajustes que permitan adaptarlo mejor a las necesidades del sistema de suspensión, Aparte de estos datos se toman las dimensiones del chasis anteriormente dibujado, producto de la investigación de Buoli (2013). En las Figuras 11 y 12 se observa el Roll center resultante delantero y trasero respectivamente.

Fuente: Pacheco (2014) Figura 11:Roll Center Delantero

Es de importancia resaltar que durante el proceso de ubicación del Roll Center se presentan como variables las dimensiones de los neumáticos y los rines, así como también la distancia de los brazos wishbone respecto del chasis, incluso los puntos de anclaje del mismo chasis se presentan en el Software

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como variable, lo que da a entender una posibilidad en la que primero que el chasis se diseña el sistema de suspensión y luego el chasis se adapta a éste. Mediante el tanteo de las dimensiones de los brazos de control y la altura del vehículo, teniendo como parámetros fijos las dimensiones del corte transversal del chasis, los porta masas y las ruedas, se puede determinar que el valor óptimo para esta configuración que se adapte al chasis ya construido, es una en la que los brazos wishbone delanteros midan 364mm para el superior y 422mm para el inferior. Lo anterior permitirá ubicar el Roll Center delantero a una distancia de 42 mm por debajo de la línea del suelo garantizando que el ángulo de camber se mantenga lo más cerca posible de cero. Lo que proporciona también un Track Width delantero de 1298mm.

Con respecto al sistema de suspensión trasero sus brazos wishbone deben medir 332.8mm el superior y 395mm el inferior para que se pueda lograr un Roll Center trasero de 39mm por debajo de la línea del suelo, manteniendo el ángulo de camber casi neutro también. De esta manera el Track Width trasero es de 1258mm y al compararse con el delantero se obtiene que su relación es casi del 96%, lo cual indica que cumple con el requerimiento que exigía que no fuera menor del 75%. De esta manera al lograr posicionar ambos Roll Center por debajo de la línea del suelo se logran evitar esfuerzos innecesarios en los brazos wishbone, tal como lo indica Popa (2005) se logra evitar el efecto jacking.

Fuente: Pacheco (2014) Figura 12: Roll Center Trasero Cálculo del Ángulo de Camber y Caster Una vez determinada la posición de ambos Roll center y garantizando que el camber tanto delantero como trasero se mantienen nulos, se puede realizar un breve estudio dinámico inclinando el vehículo hacia un costado simulando que éste toma una curva, pero para saber qué tanto se debe inclinar hay que tomar en cuenta la restricción que indica que el recorrido mínimo debe ser de al menos 25.4 mm, entonces teniendo el ancho estimado del vehículo contando el espacio que utiliza la posible carrocería se

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dejará un margen de 400mm, suficiente para colocar el panel enfriador del motor o el extintor por ejemplo, ahora se busca de manera gráfica cual es la posible inclinación en grados para que la línea de referencia de la carrocería esté lo suficientemente cerca de tocar el piso pero aun así sin tocarlo ya que si eso llegara a pasar en la vida real, el equipo seria penalizado o incluso descalificado en la competencia.

Uniendo el Roll Center delantero con el Roll Center trasero en una línea se crea un eje de rotación sobre el cual el vehículo tenderá a balancearse cuando éste tome las curvas de la pista, y conociendo el ancho estimado del vehículo se puede determinar gráficamente que el ángulo máximo de inclinación permisible es de 3.14º (180º - 176.86º = 3.14º) lo que equivale a un balanceo máximo de 40 mm (utilizando la trigonometría) antes de que éste toque el piso, lo cual es solo un poco más del mínimo permisible de 25.4mm (1 pulg), lo que indica que es posible utilizar ésta configuración de brazos wishbone para el sistema de suspensión.

Sin embargo se utilizará un poco menos que el máximo de grados posibles dando a entender a que cuando el vehículo se inclina 3.14º, éste estará a ras del suelo, pero para evitar que por alguna circunstancia toque el piso, se dará un margen de 5.5mm equivalentes mediante una regla de tres a 2.7º de inclinación, es decir que el monoplaza tendrá un recorrido libre de 34.5mm, lo cual está por encima del valor mínimo indicado por la norma y no traerá problemas. Teniendo el ángulo de inclinación de estudio se puede saber mediante el modelo gráfico qué tanto camber gana el vehículo al inclinarse 2.7º para simular que toma una curva con el máximo de inclinación admisible, se debe redibujar el monoplaza de las Figuras 36 y 37 inclinado a 2.7 º pero sin perder las dimensiones de los brazos wishbone ya conceptualizados y tampoco alterar el porta masas, de manera que la única opción posible sea inclinar las ruedas a continuación se muestra el resultado del camber ganado tanto para la suspension delantera como trasera.

Calculo de Aceleraciones en el Sistema de Suspensión.

Ahora bien ya teniendo la geometría del sistema de suspensión se procede a realizar la diagramación con respecto al chasis propuesto por Buoli (2013) y así poder tomar nota de los valores necesarios para realizar todo el cálculo de las aceleraciones actuantes en el monoplaza. A continuación se presentan en las imágenes 37, 38, 39 y 40 todas las vistas del monoplaza con la geometría seleccionada para el sistema desuspensión.

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Fuente: Pacheco Figura 13: Dimensiones del Sistema de suspension FSAE-UFT

Técnica Utilizada para el Diseño de los Componentes.

Esta es la segunda etapa de la fase de diseño, de selección de materiales que serán usados para el desarrollo del producto cubriendo los aspectos técnicos de los elementos del sistema de suspensión tipo Push Rod. La fuerza máxima se conseguirá cuando el monoplaza gire en las curvas del Skid Pad a una velocidad de 45Km/h, produciendo una fuerza de 644.7N, esta fuerza subirá a través de los neumáticos hacia los rines y de allí al porta masas, luego se dirigirá hacia la barra Push Rod seguidamente hacia el Rocker culminando en el monoshock. Es por eso que se asume que todo el sistema es un cuerpo rígido excepto el resorte del monoshock que es quien recibirá toda la carga, debido a eso se utilizará como base de cálculo la fuerza máxima de 644.7N (65.71Kg).

Cálculo de Resortes Helicoidales en un Sistema de Suspensión El sistema se considerará rígido solo hasta los resortes, lo que quiere decir que los demás componentes deben ser capaces de resistir los 644N que antes se calcularon y transferirlos hasta los amortiguadores, por lo que se calcularán en función de esa carga. Se debe verificar primero el espacio disponible para los amortiguadores, tomando las medidas usadas por Buoli (2013) se denota que el espacio máximo disponible es de 300mm, esto indica que la primera característica del monoshock es que no sea de más de 300mm de largo, las características se presentan en la siguiente tabla.

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Cuadro 2 Características de Monoshock Conseguidos Marca Longit Recorrido Moto a la que ud utilizable pertenecen (ߜ) Movist 240m 50mm Bera R1 Genéric 270m 60mm Honda CBR ar m Genéric 280m 50mm Empire Tx o m Kawasa 280m 65mm Kawasaki KLR o m Genéric 250m 50mm Benelli RK6 ki m Fuente: Pacheco (2014) o m

Preci o c/u 675 950 Bs 2800 Bs 4700 Bs 1200 Bs Bs

Constante k (lb/pulg) 165 150 130 190 190

Cálculo del Rocker en un Sistema de Suspensión Push Rod El rocker es el elemento destinado a redirigir el esfuerzo traído desde la barra Push Rod y transferirlo directamente al amortiguador, sin sufrir ningún tipo de deformación. Éste es un elemento que está sometido a torsión debido a su configuración ya que utiliza la sección trasversal de un metal y es posible calcularlo a través de un sistema de equilibrio torsional, pero para conocer sus dimensiones se debe manejar una relación en la que se tenga en común el recorrido máximo permitido por el monoshock, en conjunto con el recorrido máximo posible de la barra Push Rod dependiendo de la inclinación máxima posible del monoplaza.

Esta correlación entre los movimientos admisibles se logra a través de una relación de diámetros, de manera parecida como se haría con un engranaje, sabiendo que si el monoplaza se inclina 2.7º el movimiento medido desde la rueda será de 4.5mm como se dijo anteriormente y conociendo que el monoshock tiene un recorrido máximo de 50mm, es correcto afirmar que cuando el vehículo se incline 2.7º, el resorte deberá haber llegado a su recorrido máximo de 50mm. Adicional a esto, conociendo la constante k del resorte seleccionado es posible determinar que se necesitarán 75kg para que recorra 25.4mm.

Para conocer las cargas estáticas que tendrán los neumáticos del vehículo en un estado steady (neutro) se aplica un diagrama de cuerpo libre, utilizando como fuerza el peso de la masa suspendida (190Kg = 1863N) y como apoyo de las reacciones la distancia hasta las ruedas delanteras y traseras, aplicando las ecuaciones de equilibrio se obtiene que las reacciones en las ruedas delantera y trasera son de 990N (101 Kg) y 872 N (89Kg) respectivamente, sin embargo al ser simétrico de lado a lado el vehículo, es posible decir que para cada rueda delantera corresponde la mitad de cada peso e igual para las ruedas traseras, siendo esto 50.5Kg para cada rueda delantera y 44.5Kg para cada rueda trasera.

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Cuadro 3 Relación de Rocker Estado Inclinaci Recorrido ón del resorte delantero (Kg aplicados)

Recorrido del resorte trasero (Kg aplicados)

Recorrido de barra Push Rod

Cero

0 (0 Kg)

-34.5mm

-

0mm (0 Kg)

Relacion de rocker

1.4492 Steady

0º

16.9mm (50.5)

15mm (44.5)

0

Máximo

2.7º

50mm (150)

50mm (150)

34.5mm

Fuente: Pacheco (2014)

Tomando la distancia del monoshock cuando está en el estado Steady se resta la distancia del recorrido utilizado de la longitud total del amortiguador y colocándolo en la posición en la que se ubicará dentro del chasis propuesto por Buoli (2013) se tiene que para el delantero su distancia será de 223mm lo que deja al rocker en una posición ubicada a 246.6mm del nodo que se observa en la Figura 14, y el amortiguador trasero, al restarle los 15mm que estará comprimido en el estado steady tendrá una medida de 225mm como se observa en la misma figura, sin embargo, a éstos se les deja un espacio de 30mm para la base con la que se sujetarán al chasis.

Fuente: Pacheco (2014) Figura 14: Espacio para Monoshock y Rocker

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Cálculo de barra Push Sistema de Suspensión Comenzando con la barra Push Rod, se sabe que ésta no puede ser fabricada de fibra de carbono por la falta del compuesto en Venezuela, al igual que el resto de los componentes, por eso se realizó un recorrido por gran parte de los distribuidores para observar cuales son las medidas más comerciales y económicas a la hora de comprar tubos de acero, muchos de estos se sabe que están fabricados de acero de bajo carbono, generalmente desde el SAE 1010 hasta el SAE 1020, en la siguiente tabla se muestran las características de los tubos.

Cuadro 4 Tubos de Acero en el Mercado de Barquisimeto.

Medida Diámetro Diámetro Grado SAE Costo comercial mayor menor (6 metros) 1/2 de Pulgada

15,875mm

12.7mm

1010

150 Bs

5/8 de Pulgada

21.6mm

15.875mm

1015

180 Bs

3/4 Pulgada

23.85mm

19.05mm

1015

200 Bs

1 Pulgada

30mm

25.3mm

1020

220 Bs

Fuente: Pacheco (2014)

Conociendo la ubicación exacta del rocker en el chasis y toda su geometría, se puede calcular la barra que le da nombre al sistema de suspensión, la barra Push Rod, esta se encarga de tomar el esfuerzo desde las ruedas y transferirlo hasta el rocker sin sufrir ningún tipo de deformación.

Modelización del sistema de suspensión

Modelización de la Barra Push Rod del Sistema de Suspensión Tomando las medidas de la barra Push más larga del sistema de suspension (459mm para el par delantero) se somete a la misma carga calculada anteriormente de 644.7N y se procede a estudiar su deformación máxima, y el máximo esfuerzo generado en función del esfuerzo soportado por el material designado anteriormente. En la siguiente imagen (Figura 15) se detalla el estudio de compresión de la barra Push en el que las flechas de color verde representan los apoyos y las flechas de color morado la dirección de la carga, en la escala de colores se aprecia la deformación máxima que sufre el material y dentro de la imagen se indica el valor de dicha deformación en milímetros, y por ser un valor muy bajo es prácticamente despreciable.

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Fuente: Pacheco (2014) Figura 15: Máxima deformación de la barra Push Rod crítica Modelizacion de los Brazos Wishbone Los brazos wishbone serán fabricados con los mismos tubos de las barras Push Rod, lo que permitirá ahorrar costos y trabajar con un mismo material. A continuación se presenta en la imagen a continuación el resultado de la simulación para el equivalente a uno de los brazos delanteros, en la que se muestran los apoyos de color verde y la carga de color purpura, dicha carga es el resultado del peso del caucho, el rin, porta masas, y disco de freno que juntos componen la masa no suspendida cuyo peso en conjunto es de 13.5 Kg (132.43 N), dicha carga tratará de comprimir los brazos, y no se aplica ningún otro esfuerzo ya que el efecto jacking fue eliminado anteriormente cuando se designaban las dimensiones del sistema de suspensión.

Fuente: Pacheco (2014) Figura 16: Tension maxima en brazo wishbone delantero

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Modelizacion del Rocker Como fue definido anteriormente, el rocker debe ser capaz de resistir la torsion generada debido a la carga que éste intenta transmitir desde la barra Push Rod hasta el monoshock, anteriormente fue calculada la relación de movimiento, pero sabiendo que éstos deben ser capaces de transmitir los 644.7 N calculados anteriormente sin deformarse, para esto se recurre a Solidworks y se diagraman las dimensiones mostradas en la Figura 17 para estudiar su comportamiento con respecto a la carga.

Fuente: Pacheco (2014) Fugura 17: maximo esfuerzo en el rocjker delantero

Seguidamente se aplica el mismo proceso al diseño del rocker trasero para estudiar encontrar el esfuerzo máximo utilizando la misma carga, el mismo material y el mismo espesor de ¼ de Pulgada (6.35mm).

Fuente: Pacheco (2014) Figura 18: Maximo esfuerzo en el rocker trasero

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Proceso de fabricación del sistema de suspensión Para comenzar la fabricación del sistema de suspensión es importante tomar en cuenta la precisión para cumplir con los diseños ya que una pequeña variación puede afectar factores como la ubicación del Roll center que afectarán el comportamiento e incluso los esfuerzos de los demás elementos. Otro de los factores a considerar es la seguridad ya que éstos sistemas deben ser construidos por estudiantes para participar en la competencia, se deben utilizar los implementos de seguridad adecuados a cada actividad para garantizar la integridad del fabricador. El ultimo, pero no menos importante de los factores a tomar en cuenta es la calidad del producto, ya que de esto dependerá su durabilidad, porque si se utilizan malos procesos de fabricación se puede llegar a disminuir la vida útil de los elementos.

Método de Corte y Preparación de los Brazos Wishbone Para el corte de los tubos de ½ Pulgada seleccionados anteriormente se utiliza una tronzadora de disco de 14 Pulgadas, éste es un proceso que requiere de cuidado y atención además del uso de los implementos de seguridad como lentes y careta, además de guantes debido al desprendimiento de chispas calientes. Se utilizan moldes con los ángulos de los brazos para lograr su corte y posición. Se distribuyen los tubos de acuerdo a las medidas de la forma que menos se desperdicie material lo que traerá un ahorro de costos y por eso con 12m es suficiente para cubrir todas las medidas de los brazos wishbone y las barras push rod que son las que utilizan el mismo material de la misma medida.

Fuente: Pacheco (2014) Figura 18:Corte de tubos para brazos wishbone y barra Push Rod

Una vez cortados los tubos con las medidas se procede a unirlos por medio de la soldadura utilizando escuadras con los ángulos mostrados anteriormente dependiendo del brazo wishbone. La soldadura seleccionada es la de arco eléctrico que es la más común y económica de realizar y es con al

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que cuenta el equipo FSAE-UFT en su taller, por lo que brinda todas las ventajas para ser la más conveniente.

Fabricación de Bujes para Brazos Wishbone Los bujes cumplen en parte la misma función de las rotulas solo que tienen menos libertad de movimiento y son seleccionadas para el prototipo por ser económicas de fabricar ya que el costo de cada Rod End (Rotula hueca) es muy elevado y son necesarios 36 de éstos elementos, por eso se opta por cilindrar una barra mecánica y luego comprimir una goma de poliuretano que es la encargada de resistir el peso de las masas no suspendidas, en la figuras a continuación se observa su proceso de construcción y su posterior ensamblaje con una barra roscada que permite realizer ajustes cuando el prototipo esté construido.

Fuente: Pacheco (2014) Figura 19: Preparación de bujes

Fuente: Pacheco (2014) Figura 20: Bujes de Poliuretano con barra roscada de ½” pulgad

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Fabricación de Soportes de Amortiguadores y Brazos Wishbone Con cada buje ahora es necesario fijar los soportes de los que se sujetarán los brazos wishbone al chasis, al final de cada uno de los brazos wishbone se aplica soldadura para unir la tuerca donde entrará la barra roscada de cada buje, éste proceso se observa en la siguiente imagen, donde se aprecia un buje en su posición en el chasis para uno de los brazos wishbone, y en la imagen 21 se observan los brazos ya fijados al chasis.

Fuente: Pacheco (2014) Figura 21: Bujes fijados al Chasis de Buoli (2013)

Proceso de Construcción de Rocker Los rocker son cortados de una lámina de acero 1020 de ¼” de pulgada de espesor, y gracias a la ayuda de Dmetal+ patrocinante de Formula SAE-UFT que cuenta con una cortadora de plasma de control numérico, es posible cortar los rocker con una precisión milimétrica partiendo de un dibujo en formato CAD como se observa en la figura a continuación. Finalmente son ensamblados con una barra cilindrada en la que entran dos rodamientos que permiten el pivoteo.

Fuente: Pacheco (2014)Figura 22:Corte con plasma de Rocker

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Fuente: Pacheco (2014)Figura 23:Ensamblaje de Rocker

Proceso de Fabricación de Barras Push Rod Por último, Las cuatro barras push del sistema de suspensión son cortadas a la medida y unidas a dos tuercas en la que entran dos bujes (uno en cada extremo) que permiten realizar ajustes para variar la distancia de las barras y consecuentemente la altura del vehículo con respecto al piso.

Fuente: Pacheco (2014)Figura 24: Barra Push Rod trasera derecha

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Fuente: Pacheco (2014) Figura 24: Sistemas de Suspension Formula SAE-UFT

Conclusiones 1. Se selecciona un sistema de suspensión tipo Push Rod entre todos los tipos ya que las ventajas presentadas se acoplan a las necesidades que actualmente presenta el Grupo de Investigación Formula SAE-UFT, sin embargo éste estudio debe servir en un futuro para desarrollar suspensiones de tipo Wishbone, Pull Rod y McPherson.

2. A través de los estudios de esfuerzos utilizando las distintas teorías con apoyo en simulaciones en Solidworks se puede observar que todos los elementos son capaces de resistir los esfuerzos con los materiales seleccionados, los cuales pertenecen a la gama de los más comunes y económicos en el mercado venezolano, no llegando a sobrepasar los costos de 10.492 Bs, lo que convierte a éste sistema de suspensión en un elemento factible de fabricar.

3. Se destaca que a través de la realización de éste proyecto se demuestra que en la Universidad Fermín Toro existe el ingenio necesario para desarrollar estudios de nuevos tipos de tecnología, la cual es uno de los objetivos planteados dentro del Grupo de Investigación Fórmula SAE-UFT además que contribuye con el desarrollo del prototipo que se piensa hacer competir lo antes possible.

Recomendaciones 1. Al diseñar un sistema de suspensión lo primero a tener en cuenta es que las fuerzas que actuarán en el dependen directamente de las velocidades a las que se espera que llegue el vehículo, y dependen también de las dimensiones de éste, en las cuales se deben mantener los centros de rotación en la posición idónea para cada tipo de automóvil.

2. Antes de pensar en diseñar cualquiera de los componentes de un Fórmula SAE es necesario leer a fondo la Norma de Restricciones que se emite cada año de forma que los criterios de diseño y especificaciones estén de acuerdo con éstas ya que si no habrá una penalización a la hora de competir.

3. Los software de estudio de elementos finitos como Solidworks son de gran utilidad pero sin embargo resultan importantes hacer estudios manualmente con ecuaciones lo que permita establecer una comparación entre éstos dos para obtener mayor exactitud en los resultados, además de que éste tipo de software requieren datos de entrada como las fuerzas que actúan las cuales son obtenidas mediante análisis estáticos o dinámicos para el caso de un sistema de suspensión, dicho estudio dinámico fue propuesto por Innocenti (2013) y aplicado en ésta investigación para el diseño de uno de los componentes de un vehículo de competición SAE. 4. A partir de ésta investigación se recomiendan seguir desarrollando estudios sobre los demás tipos de suspensión o incluso optimizaciones de ésta misma y no solo para ser aplicadas en vehículos tipo SAE sino también para automóviles más generales lo que permitirá ampliar la base de datos de diseño automotriz existente en las universidades del país para que en un futuro se creen vehículos comercializables en Venezuela.

5. Es recomendable trabajar de la manera más precisa posible ya que un pequeño margen de error a la hora de construcción puede alterar todo el diseño del sistema de suspensión llegando a resultar en un trabajo todavía más difícil de realizar, ya que se crean desajustes que no permitirán el correcto funcionamiento de la suspensión. Además es recomendable contar primero con las piezas como las rotulas de las que se puede obtener sus dimensiones exactas para ser tomadas en cuenta a la hora de dibujar las dimensiones de los brazos wishbone ya que esto afecta en los ángulos.

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Supraingeniería Num 3 Volumen I Año 2014