Revista Polo del Conocimiento


Polo del Conocimiento

 

Anlisis Estructural en vehculos elctricos de categora L7E

 

Structural Analysis in electric vehicles of category L7E

 

Anlise estrutural em veculos elctricos da categoria L7E

Guillermo Gorky Reyes-Campaa I
gureyesca@uide.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-7133-9509

Jorge Luis Cepeda-Miranda II
jocepedami@uide.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-6880-2515
 

 


Valentina Mikaela Torres-Muoz III
vatorresmu@uide.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-4834-0034

Kevin Ivn Carrillo-Albn IV
kecarrilloal@uide.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-8221-1386
 

 

 

 


Correspondencia: [email protected]

Ciencias tcnicas y aplicadas

Artculo de investigacin

 

*Recibido: 10 de abril de 2021 *Aceptado: 03 de mayo de 2021 * Publicado: 01 de junio de 2021

 

                               I.            Ingeniero Mecnico Especialidad Automotriz, Magster Sistemas Automotrices, Coordinador Investigacin EIA Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador.

                            II.            Ingeniero Mecnico, Magister en Ingeniera Automotriz, Magister en Administracin de Empresas, Docente Universidad Internacional del Ecuador, Ambato, Ecuador.

                         III.            Estudiante Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador.

                         IV.            Estudiante Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador.


Resumen

En el Ecuador existen vehculos L7e de distintas procedencias, los ms comunes europeos y chinos, a los cuales se realiz el anlisis estructural de su diseo, ya que representan una gran alternativa de movilidad urbana; se investig acerca de las normativas de seguridad, criterios de diseo y fabricacin para los vehculos mencionados. Se compar las diferentes variables en condiciones estticas. Se desarroll las simulaciones con ingeniera asistida por computador, se coloc diferentes tipos de carga para simular las fuerzas ocurridas durante todo el trabajo de los vehculos, en donde se compara la deformacin unitaria, el desplazamiento y la tensin de Von Mises. Para el clculo de las fuerzas obtenidas los vehculos se rigen a la Normativa NTE INEN 1323 Requisitos de Vehculos automotores. Se estudi el comportamiento de los materiales en funcin de condiciones externas a las que las estructuras estn sometidas, para determinar su resistencia en los peores escenarios estticos. En la prueba de torsin ambos vehculos superan el lmite de fluencia con 334 MPa y 223 MPa, con un factor de seguridad bajo de 0,38 y 0,47 para el vehculo europeo y chino respectivamente, siendo esta prueba la ms drstica para la estructura; concluyendo que sobrepasan incluso el lmite de resistencia a la traccin, lo que significa que el material ya dara origen a una rotura; por tal motivo se present varias opciones de aceros de alta resistencia con un factor de seguridad mayor de 1,50; conociendo que el estudio no hace referencia al sistema de suspensin.

Palabras clave: Vehculos L7e; normativas de seguridad; diseo estructural; fuerzas.

 

Abstract

In Ecuador there are L7e vehicles from different countries, the most common are European and Chinese, that carried out the structural analysis of its design, as they represent a great alternative of urban mobility; research was made on safety regulations, design and manufacturing criteria for the vehicles mentioned. Different variables were compared under static conditions. Simulations were developed for computer-aided engineered vehicles, different types of loads were placed to simulate the forces that occurred throughout the work of the vehicles, comparing von Mises' strain, displacement and stress. For the calculation of the forces obtained the vehicles are governed by the NTE INEN 1323 Automotive Vehicle Requirements Regulations. The behavior of the materials was studied according to external conditions to which the structures are subjected, to determine their resistance in the worst scenarios. In the torsion test, both vehicles exceed the yield point with 334 MPa and 223 MPa, an extremely low with a security factor of 0.38 and 0.47 for the European and Chinese vehicle respectively, this test being the most drastic for the structure; concluding that they even exceed the limit of tensile strength, which means that the material would already give rise to a break; For this reason, several options for high-strength steels with a safety factor greater than 1.50 were presented; knowing that the study does not refer to the suspension system.

Keywords: L7e vehicles; safety regulations; structural design; forces.

 

Resumo

No Equador existem veculos L7e de diferentes origens, os mais comuns europeus e chineses, aos quais foi realizada a anlise estrutural de seu projeto, j que representam uma tima alternativa para a mobilidade urbana; Foram investigados os regulamentos de segurana, critrios de design e fabricao dos veculos mencionados. As diferentes variveis ​​foram comparadas em condies estticas. As simulaes foram desenvolvidas com engenharia auxiliada por computador, diferentes tipos de carga foram colocados para simular as foras que ocorreram durante todo o trabalho dos veculos, onde foram comparadas a deformao da unidade, deslocamento e tenso de Von Mises. Para o clculo das foras obtidas, os veculos so regidos pelo Regulamento NTE INEN 1323, Requisitos para Veculos Automveis. O comportamento dos materiais foi estudado em funo das condies externas a que as estruturas esto submetidas, para determinar a sua resistncia nos piores cenrios estticos. No ensaio de toro, ambos os veculos ultrapassaram o limite de elasticidade com 334 MPa e 223 MPa, com um baixo fator de segurana de 0,38 e 0,47 para o veculo europeu e chins, respetivamente, sendo este o ensaio o mais drstico para a estrutura. concluindo que at ultrapassam o limite de resistncia trao, o que significa que o material j daria lugar a uma ruptura; Por esse motivo, foram apresentadas vrias opes de aos de alta resistncia com fator de segurana superior a 1,50; sabendo que o estudo no se refere ao sistema de suspenso.

Palavras-chave: veculos L7e; regulamentos de segurana; projeto estrutural; foras.

 

Introduccin

Con la venta excesiva de autos, surge la necesidad de buscar soluciones al problema del trfico y la contaminacin ambiental, lo que ha llevado a que el parque automotor se desarrolle en funcin de la bsqueda de nuevas fuentes de movilidad y energa, varias marcas fabrican vehculos que se adaptan a las vas teniendo como alternativa los vehculos elctricos, entre estos los vehculos L7e, tambin llamados cuadriciclos ligeros que son una buena opcin para movilizarse en distancias cortas, son sencillos, fciles de manejar, verstiles y econmicos (Capellan, 2017).

Existen agencias de control donde se est buscando alternativas en sus equipamientos para mejorar sus sistemas y determinar su calidad. En el Ecuador se observa circulando algunos de estos cuadriciclos de diferentes procedencias, entre los ms comunes europeos y chinos a los cuales se realiz el anlisis estructural con distintos casos de carga.

Se investig acerca de las normativas y regulaciones de fabricacin, los requisitos y criterios de diseo. Se analiz estructuralmente el chasis del vehculo, mediante softwares de ingeniera asistida por computador para evaluar la tensin Von Mises, el desplazamiento y la deformacin unitaria; con estos resultados determinar el lmite de fluencia de la estructura y su factor de seguridad. Se realiz un estudio de las caractersticas mecnicas de los vehculos elctricos ofertados en el Ecuador, comparando las diferentes variables en condiciones estticas en relacin al clculo estructural y a las normativas de los vehculos elctricos.

Las principales caractersticas de los vehculos L7e elctricos con un tamao de hasta 2.5 metros de longitud y uso mayormente en ambientes urbanos. Compuestos principalmente de una carrocera ligera con aleaciones de acero, aluminio, fibra de carbn o fibra de vidrio y velocidades que no superan los 70km/h (Pellicer, 1997).

Ms del 90% de la demanda de energa a nivel mundial se cubre con recursos derivados del petrleo sin embargo hoy en da los vehculos elctricos estn en auge como alternativa para emitir menos contaminacin que los vehculos de combustin interna. (Condor Romero, 2019). Lo que significa que estos vehculos son una buena opcin de movilidad para quienes buscan distintas alternativas al motor de combustin y que se preocupan por el medio ambiente.

Un artculo relacionado con la movilidad urbana de los vehculos elctricos indica que el comportamiento de las personas al momento de comprar un vehculo elctrico es impulsado por la innovacin de la tecnologa que est detrs de un vehculo elctrico (Bobeth & Kastner, 2019).

Este artculo se basa en los sistemas de seguridad vehculos L7e mas no los sistemas de confort y actualizacin a nuevas tecnologas de estos.

Otro estudio indica que un grupo mayoritario de personas en Italia se ven atrados por el rendimiento de los vehculos elctricos, por tal motivo ser importante la autonoma de un vehculo con respecto a otro para la eleccin de su compra (Dianelis , Rotaris, & Giansoldati, 2020).

Las normativas de seguridad son leyes elaboradas por expertos en el campo y son aprobadas por los gobiernos y parlamentos de cada pas. Las normativas son de cumplimiento obligatorio y a partir de estas se cumplir por cada fabricante para cada pas (Doblado & Marin, 2017). Uno de los objetivos de este artculo es llegar a los departamentos encargados de la homologacin de los vehculos elctricos L7e cumplan con normativas bsicas de seguridad activa y pasiva al momento de un accidente.

Para el cumplimiento del estudio se trabajar con un mtodo de investigacin exploratorio y experimental, se realizar simulaciones virtuales de pruebas de anlisis estructural entre los cuadriciclos estudiados, para comparar sus resultados y examinar su diseo.

Metodologa

El presente estudio tuvo un enfoque cuantitativo donde se implement un mtodo de investigacin exploratorio experimental, para la comparacin de las diferentes variables en condiciones estticas en relacin al anlisis estructural. El mtodo de investigacin exploratorio plantea la bsqueda de una problemtica, que beneficie la bsqueda y entendimiento de nuevos conceptos, soluciones y alternativas. Se estudia las variables y factores que ocasionan un fenmeno. (Abreu, 2012)

Para el desarrollo del diseo de los modelos estudiados se utiliz el mtodo experimental tomando en cuenta los clculos y valores que determinan las normativas. Esta metodologa extiende competencias y habilidades para encontrar soluciones, donde se analicen los procedimientos de la fabricacin de los vehculos. (Dumon, 1992)

 

Vehculo

Para las simulaciones se experiment con dos cuadriciclos elctricos, el primero de procedencia francesa, por ser uno de los cuadriciclos ms vendidos a nivel mundial y el segundo uno de procedencia china, ya que al tener un precio bastante accesible es una alternativa para los conductores.

 

Tabla 1: Caractersticas de los vehculos L7e.

Caractersticas

M1

M2

Motor

4/8 kW

4,5 kW

Torque Max

[email protected] rpm

Indefinido

Potencia Max

Peso

[email protected] rpm

6768,9N

1,3 kW

7602,75N

Peso en vaco

375 kg

320kg

Velocidad Max

80 km/h

50 km/h

Autonoma

60 a 70 km

100km

Seguridad

-Chasis tubular

-Airbag.

-Freno de disco.

-Suspensin independiente.

-Cinturones seguridad.

-Freno de emergencia.

-Chasis tubular

-Cinturones de seguridad.

-Frenos de disco.

Fuente: Autores, 2021

 

El primero es un vehculo elctrico biplaza, existe en dos versiones, uno posee un motor de 4 kW y el otro de 8KW, con una Potencia Mxima kW CEE (cv) 13(17) @7250 rpm y un Torque Mximo Nm CEE [email protected] rpm, dispone de una caja automtica con una velocidad, tiene una autonoma real de 60 a 70 km. (Macci, 2018)

 


Figura 1: Vehculo Europeo

Fuente: (Lojacar)

 

El segundo es un vehculo elctrico biplaza, posee un motor de 4,5 kW con una Potencia Mxima 1,3 kW y con un tiempo de carga de 220/8 horas, cuenta con una caja automtica. Tiene una autonoma real de 75km dependiendo las variables del terreno (intercar, 2019)

 


Figura 2: Vehculo Chino

Fuente: (intercar, 2019)

 

Se desarroll el anlisis de los vehculos seleccionados ya que, al ser elctricos, de fcil manejo y de un precio accesible para el pblico son una alternativa distinta que beneficia al trfico y al ahorro de combustible. (Capellan, 2017)

 

Altair SimSolid

Se utiliz un software de ingeniera asistida por computador que simula y verifica como acta cada elemento analizado de manera esttica y dinmica, se obtiene la informacin necesaria sobre variables de anlisis como, temperatura, fuerzas, presin, etc., y elimina la elaboracin del mallado, teniendo una gran ventaja sobre otros softwares de elementos finitos, con resultados reales y en un tiempo casi inmediato. La ingeniera asistida por computador evita la instrumentacin de las estructuras con galgas extensiomtricas para la obtencin de informacin de esfuerzos y reacciones en presencia de cargas. (Altair Engineering, 2021)

 

Normativa Construccin L7E

Segn establece el Reglamento (Ue) No 168/2013 Del Parlamento Europeo Y Del Consejo, es obligacin de los fabricantes asegurarse de que, cuando sus vehculos sean introducidos en el mercado, estn fabricados y homologados. Los fabricantes disean sus vehculos con el fin de disminuir el riesgo de lesiones de los ocupantes de vehculos, asegurando que tengan la misma durabilidad. Garantizarn que los vehculos cumplen los requisitos establecidos al igual que los procedimientos de ensayo y los requisitos de funcionamiento. (REGLAMENTO (UE) No 168/2013 DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO relativo a la homologacin de los vehculos de dos o tres ruedas y los cuatriciclos, y a la vigilancia, 2013)

NTE INEN 1323 Primera revisin Vehculos Automotores. Carroceras De Buses. Requisitos.

Indica los requisitos para el diseo, fabricacin y montaje de carroceras en el Ecuador; establece los criterios y parmetros para el clculo de las cargas vivas, muertas, de resistencia del aire frontal, de giro, frenado y aceleracin, los clculos realizados que se indican a continuacin estn basados en esta normativa, para con estos valores efectuar las simulaciones respectivas. (INSTITUTO ECUATORIANO DE NORMALIZACIN, 2009)

 

 

 

Resultados y discusin

Para la elaboracin de tablas y grficas se identifica los trminos V1 y V2 correspondientes al vehculo europeo y vehculo chino.

 

Tabla 2: Datos de entrada

 

V1

V2

Velocidad

13,88 m/s

13,88 m/s

Masa

131,833 kg

137,936 kg

Volumen

0,0167941 m^3

0,0175702 m^3

Densidad

7.850 kg/m^3

7.850,55 kg/m^3

Peso

1.291,97 N

1.351,77 N

Material

Acero

Acero

Tipo de malla

Malla slida

Malla slida

Fuente: Autores, 2021

 

Casos de Cargas

Cargas muertas y vivas

El primer anlisis de cargas viene dado por el peso bruto de los vehculos, se denomina cargas muertas al total de la masa del chasis, carrocera, sistemas y componentes del automvil y las cargas vivas se refieren al peso de los ocupantes; la normativa NTE INEN 1323:2009 establece que cada ocupante posee una masa de 70 kg. Para los clculos respectivos se ha tomado en cuenta este valor. (INSTITUTO ECUATORIANO DE NORMALIZACIN, 2009)

 

Tabla 3: Cargas Peso Total

 

 

V1

V2

Muerta

Muerta

 

690 kg

6768,9 N

775 kg

7602,75 N

Viva

Viva

 

140 kg

1373,4 N

280 kg

2746,8 N

Peso Total

 

8142,3 N

10349,55 N

Fuente: Autores, 2021

 

Se propuso realizar los clculos exponiendo a los vehculos a su mxima carga por lo cual en el caso del V1 como carga viva tiene una masa de 140 kg debido a que se asume la masa de dos ocupantes; en el caso del V2 la masa de 280 kg corresponde a cuatro ocupantes.

 

Cargas aerodinmicas

Las cargas aerodinmicas vienen dadas por la fuerza que ejerce el viento en un rea transversal, en este caso del vehculo en movimiento (Cepeda, 2006). Para el anlisis de cargas aerodinmicas se propone la siguiente ecuacin:

[Ec. 1]

Donde:

D= Fuerza de Resistencia del viento. (N)

CD= Coeficiente de Resistencia al avance.

ρ= Densidad del aire. (kg/m3)

af= rea frontal del vehculo. (m2)

Vt= Velocidad. (km/h)

El coeficiente de resistencia aerodinmico al avance para un automvil convencional es de 0,52. La densidad del aire en la ciudad de Quito es de 1,225 kg/m3 (Cepeda, 2006), y la velocidad propuesta en el clculo es de 50 km/h ya que es el lmite de velocidad mximo en la ciudad de Quito. El vehculo europeo posee una versin con un motor de 4,5 kW que alcanza los 45 km/h sin embargo, para los clculos se analiz nicamente la versin de motor 8 kW.

El rea frontal en la seccin transversal de los vehculos se obtuvo a partir de los diseos en el software de Inspire Estudio de Altair Estudios midiendo en perfil frontal.

 

Tabla 4: Cargas Aerodinmicas

 

V1

V2

0,52

0,52

1,225 kg/m3

1,225 kg/m3

1,50 m2

1,85 m2

V

V

50 km/h

13,88 m/s

50 km/h

13,88 m/s

D

184,32 N

227,32 N

Fuente: Autores, 2021

 

La tabla 4. evidencia los resultados de la ecuacin de la carga de resistencia del viento para ambos vehculos y sus datos respectivos.

 

Carga de giro

Las cargas de giro se originan por las fuerzas centrifugas en el centro de gravedad al momento del vehculo entrar a una curva, (Cepeda, 2006) para obtener los resultados se aplica la siguiente ecuacin:

[Ec. 2]

Donde:

Fg= Fuerza de Giro. (N)

M= Masa de la estructura (kg).

V2= Velocidad al cuadrado (m/s)

r= Radio mnimo

Segn la Orden FOM/273/2016, por la que se aprueba la Norma 3.1- IC Trazado, de la Instruccin de Carreteras, tabla 4.4, citada en la NTE INEN 1323:2009; establece que el radio mnimo para una velocidad de 40 km/h ser de 50 m. (BOLETN OFICIAL DEL ESTADO, 2016)

 

Tabla 5: Fuerza de Giro

 

V1

V2

M

850 kg

1095 kg

V

13,88 m/s

13,88 m/s

r

50 m

50 m

3275.124N

4219.131N

Fuente: Autores, 2021

 

La tabla 5. indica los valores de la fuerza de giro que se aplic a los vehculos en la simulacin.

Carga de frenado brusco

Todos los vehculos estn sometidos a una carga de frenado, que ser opuesta a la direccin del movimiento del mismo. (Cepeda, 2006)

Para determinar el valor del frenado se utiliz la siguiente ecuacin:

[Ec. 3]

 

Donde:

afrenado= frenado(N)

V= Velocidad inicial (m/s).

Vf= Velocidad final (m/s).

t= Tiempo (s).

 

Tabla 6: Cargas de Frenado Violento

 

V1

V2

V0

0

0

Vf

13,88 m/s

13,88 m/s

t

7,3 seg

8,5 seg

1,90 m/s2

1,63 m/s2

Fuente: Autores, 2021

 

La fuerza de frenado ser el producto de la suma de cargas vivas y muertas por el valor de la afrenado obtenido de la ecuacin anterior. La NTE INEN 1323:2009 asume que la carga de frenado para buses debe ser mayor o igual a 4 m/s2 segn los ensayos de frenado y rendimiento de los dispositivos de frenado de la Directiva 98/12/Ce De La Comisin Europea (INSTITUTO ECUATORIANO DE NORMALIZACIN, 2009), en este caso el valor de la carga de frenado ser menor a 4 debido a que la prueba se realiza a 50 km/h.

[Ec. 4]

Donde:

fr= Fuerza de frenado(N)

M= Masa (kg).

afrenado = frenado.

 

Tabla 7: Fuerza de Frenado

 

V1

V2

Muerta

690 kg

775 kg

Viva

140 kg

280 kg

1,90 m/s2

1,63 m/s2

1615 N

1784,85 N

Fuente: Autores, 2021

 

La tabla 7. indica la fuerza de frenado resultante de la ecuacin prescrita anteriormente.

 

Carga De Aceleracin Brusca

El caso de carga de Aceleracin violenta se realiza del mismo modo que el de carga de frenado, la diferencia se encuentra en que en la aceleracin la fuerza que experimenta el vehculo se dirige en la misma direccin que el del movimiento de este. (Cepeda, 2006)

 

Modelos a evaluar

Se efectu el diseo de los vehculos elctricos de categora L7e, el primero el vehculo europeo y el segundo el vehculo chino.

Previo al dibujo se tom medidas del chasis tubular de los vehculos reales; seguido se realiz la geometra de los modelos de los vehculos en SolidWorks, y las simulaciones en el software SimSolid de Altair, en donde se asign el material y las soldaduras para ambos vehculos.

 


Figura 3: Diseo modelo europeo/ modelo chino

Fuente: Autores

 

Proceso de Simulacin

Se analiz el comportamiento de los materiales, se coloc restricciones y cargas a los modelos puestos a prueba en el simulador SimSolid, el anlisis se enfoca en el esfuerzo de Von Mises, el desplazamiento y la deformacin unitaria; en los siguientes casos de carga; muertas, vivas, de frenado, aceleracin, giro y torsin. Existe un cdigo de colores que indica los valores mnimos y mximos de tensin, desplazamiento y deformacin siendo los tonos rojizos las zonas ms afectadas. Al no tener un registro oficial del material especfico utilizado para la construccin del chasis tubular por los fabricantes respectivos, en el software se realiz el anlisis de ambos vehculos con el acero estndar del software, cuyo lmite de fluencia es de 205 MPa.

 

Anlisis Von Mises

Von Mises analiza la distribucin de esfuerzos en una estructura para determinar si el material utilizado es el adecuado y si el diseo es ptimo. (Mrquez, 2014)

 

Tabla 8: Datos del material empleado

MATERIAL: ACERO

 

 

Mdulo de elasticidad

2,00E+11

MPa

Coeficiente de poisson

0,29

Densidad

7,82E+03

kg/m3

Coef. de dilatacin trmica

1,15E-05

C

Conductividad trmica

5,00E+01

W/m*k

Resistencia a la Traccin

3,80E+02

MPa

Lmite de fluencia por traccin

2,05E+02

MPa

Lmite de fluencia por compresin

2,05E+02

MPa

Fuente: Autores

 

Cargas Muertas

El valor mximo de tensin Von Mises en el V1 es 1,10E+02 MPa; en el V2 es de 2,69E+02 MPA siendo esta una tensin mayor debido a que la carrocera del V2 es 85 kg mayor a la del V1, sin embargo, el V2 tiene un mayor ancho y largo lo que permite soportar mayor peso. (Fig. 7).

 

Cargas Vivas

Al igual que en el caso anterior el V2 al tener mayor dimensin posee disponibilidad de asientos para 4 ocupantes, al contrario del V1 que dispone asientos para 2 ocupantes nicamente, por esta razn en las cargas vivas el valor mximo del V1 es de 1,10E+02 MPa y el V2 de 1,44E+02 MPa. (Fig. 8).

 

Cargas Aerodinmicas

Debido a que las cargas Aerodinmicas se refieren a la fuerza de la resistencia del viento a la que est sometida un vehculo en movimiento en toda su rea frontal, se observa que el V1 soporta una tensin mxima de 8,16E+00 MPa en la soldadura de los pilares delanteros con la consola para resortes y el travesao, ya que por delante se encuentra el parabrisas siendo esta el rea ms resistencia. El V2 al tener su estructura cuadrangular la zona que ejerce mayor resistencia es en el pilar trasero con la base del larguero posterior y donde se percibe una tensin mxima de 5,17E+00 MPa. (Fig. 9).

 

Cargas de Giro

Se estudia las cargas de giro, que se generan cuando el vehculo ingresa a una curva y se enfrenta a una fuerza centrfuga, estas cargas empujan a los pilares de ambos lados de la estructura en una misma direccin; en esta prueba la carga de la simulacin se realiz por el lado derecho hacia el izquierdo de la estructura, como referencia, desde el cdigo de colores con los valores resultantes hacia adentro. El V1 tiene una tensin mxima de 1,53E+02 MPa en la misma zona de la unin del pilar delantero con la consola de la suspensin y el travesao y el V2 tiene una tensin mxima de 1,21E+02 MPa en los largueros traseros a razn del desplazamiento en direccin a la fuerza. (Fig. 10).

 

Carga de Frenado

En el caso del anlisis de frenado brusco las cargas se producen en los pilares verticales desde atrs hacia adelante por la inercia, en ambos vehculos la tensin mxima se encuentra en la zona delantera, ya que es la que absorbe la fuerza, el V1 posee una tensin mxima de 3,11E+01 MPa y el V2 de 5,02E+01 MPa. (Fig. 11).

 

Cargas de Aceleracin

El anlisis de carga de Aceleracin brusca tiene el mismo principio que el de frenado, variando la direccin de la fuerza, ya que en la aceleracin las cargas se producen de adelante hacia atrs. El mximo valor de tensin del V1 es de 4,37E+01 MPa en el travesao de soporte superior delantero ya que los pilares se desplazan en reverso y afecta a la soldadura de esta zona, y el V2 tiene una tensin mxima de 4,88E+01 MPa en los largueros traseros puesto que su estructura tambin un posee un desplazamiento hacia atrs. En ambos anlisis el peso del vehculo y los pasajeros incide en que el V2 posea mayores tensiones. (Fig. 12).

 

Cargas de Torsin

El anlisis de Torsin se efectu al colocar las cargas vivas y muertas y al retirar las restricciones del lado derecho para simular que el vehculo se desplaza sobre alguna irregularidad. El V1 obtuvo una tensin mxima de 5,39E+02 MPa en la consola de la suspensin y el travesao delantero del lado opuesto, dado que este efecto trata de torcer la estructura. De igual manera el V2 consigue la mxima tensin en los largueros opuestos con un valor de 5,23E+02 MPa. (Fig. 13).

La siguiente grafica indica las curvas de cada caso de carga estudiados en el anlisis de tensin de Von Mises para los dos vehculos.

 


Figura 4: V1 vs V2 curvas Von Mises

Fuente: Autores, 2021

Se observa que las tensiones Von Mises del V2 son ms altas que las del V1 teniendo en cuenta que el peso total es mayor, las curvas tienen un mayor crecimiento, a excepcin de la carga aerodinmica y de giro que el V1 sobrepasa al V2 por su diseo ms compacto; los valores generales de los casos de carga se encuentran en la tabla 9.

 

Anlisis de Desplazamiento

En el anlisis de desplazamiento se estudi la deflexin de las estructuras, cabe recalcar que el desplazamiento es casi imperceptible en situaciones reales, sin embargo, la simulacin realiza el desplazamiento con el grado de movimiento a eleccin del usuario para enfatizar el anlisis.

 

Carga Muerta

La zona con mayor movimiento es la base del bastidor donde se aplica la fuerza, el V1 posee un desplazamiento de 1,57E+04 mm en los largueros auxiliares centrales que se encuentran sobre los travesaos centrales del bastidor, el V2 tiene un desplazamiento de 1,10E+04 mm en los largueros centrales dado que recae todo el peso de la estructura, carrocera, sistemas y elementos del vehculo. (Fig. 14).

 

Carga Viva

Se observa que el comportamiento de la estructura es similar que en el de las cargas vivas, pero las cargas vivas solo se aplican donde se sitan los pasajeros, el V1 tiene un desplazamiento de 1,14E+04 MPa y el V2 de 4,05E+03 MPa. (Fig. 15).

 

Carga Aerodinmica

El desplazamiento demuestra el movimiento en las zonas ms crticas para este factor de resistencia del viento, en el caso del V1 su mayor desplazamiento se encuentra en soportes del parabrisas y es de 9,13E+02mm, en el V2 el mayor desplazamiento se encuentra en los pilares y travesaos superiores posteriores ya que toda la zona frontal es empujada hacia la parte trasera y es de 2,53E+03 mm. (Fig. 16).

 

Carga de Giro

El V1 obtiene un desplazamiento mximo de 1,52e+00 mm y el V2 de 3,42e+00mm, en ambos vehculos se observa el mayor desplazamiento en tonos rojos en la parte superior de sus pilares, dado a que esta zona de su estructura posee menos refuerzos que en la zona inferior. (Fig. 17).

 

Carga de Frenado

El frenado es una aceleracin negativa, el vehculo es empujado a la misma direccin a la que se desplaza; se observa como la parte superior de las estructuras tienen un desplazamiento hacia enfrente, el V1 de 2,83E+03 mm y el V2 de 2,05E+04 mm. (Fig. 18).

 

Carga de Aceleracin

La carga de aceleracin brusca empuja a la estructura en direccin opuesta a la de su movimiento, y en este anlisis la parte superior de las estructuras se desplazan hacia atrs, el V1 se desplaza 3,83E+03 mm en sus zonas ms afectadas y el V2 2,02E+04 mm. (Fig. 19).

 

Carga de Torsin

Se observa el desplazamiento de la estructura en el lado donde se retir las restricciones puesto que se encuentra a desnivel del lado opuesto, es notorio que el V1 tiene un desplazamiento mayor de 9,64E+04 mm en los largueros y en el pilar delantero que justamente est conectado a los travesaos delanteros lo que obliga a que la estructura se tuerza; y el V2 de 6,19E+04 mm en el pilar trasero. La figura 19 es una ilustracin de las curvas de los valores de mnimos a mximos del desplazamiento obtenido en las cargas consideradas. (Fig. 20).

 


Figura 5: V1 vs V2 curvas Desplazamiento

Fuente: Autores, 2021

 

En la grfica 5. se observa que el V1 obtiene un mayor desplazamiento en los casos de carga que el V2, a excepcin del caso de carga aerodinmica y de giro debido a que en el V2 sus pilares no son totalmente verticales, la parte superior sobresale del bastidor; los valores restantes se hallan en la tabla 9.

 

Deformacin Unitaria

Se revis la deformacin que sufre cada elemento de la estructura tras las tensiones provocadas por las cargas. Como en este estudio se analiza nicamente el material elstico lineal donde no excede el lmite elstico a plstico las deformaciones ms crticas se encuentran en las mismas zonas que en las del anlisis de tensin.

 

Cargas Muertas

Las cargas muertas provocan una deformacin unitaria en los largueros centrales del bastidor, el V1 tiene una deformacin de 4,74E+00 y el V2 de 1,51E+01. (Fig. 21).

 

Cargas Vivas

Las cargas vivas producen el mismo efecto de deformacin en los largueros centrales de ambas estructuras, pero nicamente con el peso de los pasajeros en la zona donde estn ubicados. El V1 tiene una deformacin de 3,46E+00 y el V2 de 6,46E+00. (Fig. 22).

 

Cargas Aerodinmicas

La deformacin en las cargas aerodinmicas al igual que en el anlisis de la tensin Von Mises la deformacin mxima se encuentra en la zona posterior de los elementos que ejercen mayor resistencia al viento por ser las ms expuestas. El V1 tiene su mayor deformacin en la zona de soldadura ms afectada de 3,51E-01 y el V2 de 2,22E-01 en la unin del pilar y largueros traseros. (Fig. 23).

 

Cargas de Giro

La deformacin unitaria se encuentra en el pilar y el travesao delantero para el V1 con una deformacin de 6,59E+00 y en el larguero posterior con una deformacin de 5,95E+00 para el V2. (Fig. 24).

 

Cargas de Frenado

En la carga de frenado brusco se observa que el V1 posee la mayor deformacin en la soldadura del pilar delantero con su travesao y la consola de la suspensin siendo de 1,34E+00, en el V2 los largueros centrales sufren la mayor deformacin de 2,16E+00 debido al empuje por la inercia. (Fig. 25).

 

Cargas de Aceleracin

Si bien es cierto la aceleracin y el frenado se basan en el mismo criterio, pero de manera inversa, el desplazamiento en direcciones opuestas se encarga de que la deformacin no sea en las mismas zonas ni que sus valores mximos sean los mismos, el V1 tiene un valor mximo de 1,88E+00 y el V2 de 2,17E+00. (Fig. 26).

 

Cargas de Tensin

La deformacin al igual que la tensin en las cargas de torsin se presenta en direcciones opuestas a las de la carga causando grandes concentraciones de esfuerzos. El V1 tiene su deformacin mxima de 2,32E+01 y el V2 de 3,86E+01 siendo esta mayor que la del primer vehculo.

La figura 6 indica las curvas de los valores de mnimos a mximos de deformacin unitaria de las cargas estudiadas. (Fig. 27).

 


Figura 6: V1 vs V2 curvas de Deformacin Unitaria

Fuente: Autores, 2021

 

En la grfica de la deformacin unitaria el V1 posee una mayor deformacin unitaria en las cargas muertas, aerodinmicas, de torsin y de giro, y el V2 en las cargas vivas, frenado y de aceleracin; en la tabla 9. se encuentran todos los valores de las curvas anteriores.

 

Tabla 9: Tabla Comparativo V1 y V2. Valores Mximos en Casos de Carga

 

 

V1

 

 

V2

 

 

VONMISES (MPa)

DESPL. (mm)

DEF.

VONMISES (MPa)

DESPL. (mm)

DEF.

MUERTA

1,10E+02

1,57E+00

4,74E-04

2,69E+02

1,45E+00

1,16E-03

VIVA

8,06E+01

1,14E+00

3,46E-04

1,44E+02

4,14E-01

6,21E-04

AERODINAMICA

8,16E+00

9,13E-02

3,51E-05

5,17E+00

2,53E-01

2,22E-05

GIRO

1,53E+02

1,52E+00

6,59E-04

1,21E+02

3,42E+00

5,21E-04

FRENADO

3,11E+01

2,83E-01

1,34E-04

5,02E+01

2,05E+00

2,16E-04

ACELERACION

4,37E+01

3,83E-01

1,88E-04

4,88E+01

2,02E+00

2,10E-04

TORSION

5,39E+02

9,64E+00

2,32E-03

4,28E+02

7,89E+00

2,25E-03

Fuente: Autores, 2021

 

En la tabla 9 se observa los valores mximos de ambos modelos en todos los casos de carga de las tres pruebas realizadas, el V2 alcanza mayores esfuerzos en su estructura, sin embargo, en el caso de carga de torsin el V1 sufre el mayor esfuerzo identificado, siendo este el valor mximo en todas las pruebas de ambos vehculos, dado que al retirar las restricciones de un lado para la simulacin del vehculo sobre alguna irregularidad, la consola de la suspensin y el travesao delantero del lado opuesto se afectan, a causa de que este efecto trata de torcer la estructura.

 

Lmite de Fluencia

Se origina cuando el material de la estructura supera el lmite de esfuerzo, para cambiar su composicin de elstico a plstico, y su deformacin se torna permanente.

En la siguiente tabla se indica los valores de mxima tensin obtenidos en las pruebas de Von Mises. (Mott, 2009)

 

Tabla 12: Valores Mximos Von Mises que sobrepasan lmite de Fluencia

 V1

V2 

MUERTA

1,10E+02

2,69E+02

VIVA

8,06E+01

1,44E+02

AERODINAMICA

8,16E+00

5,17E+00

GIRO

1,53E+02

1,21E+02

FRENADO

3,11E+01

5,02E+01

ACELERACION

4,37E+01

4,88E+01

TORSION

5,39E+02

4,28E+02

Fuente: Autores, 2021

 

Los valores rojos indican los resultados que sobrepasan el valor del lmite de fluencia para este material; en la prueba de la carga muerta el V2 sobrepasa la fluencia con 63,8 MPa, lo que significa que el vehculo sufrira una deformacin irreversible con el peso de todos sus sistemas, elementos y componentes del mismo, la siguiente prueba que sobrepaso el lmite de fluencia es la de torsin ya que en esta prueba, ambos vehculos generan resultados que duplican su valor, tomando en consideracin que el presente estudio tiene un enfoque nicamente en el anlisis del chasis mas no en el sistema de suspensin, siendo este sistema el que amortigua y protege a la carrocera de las irregularidades de la carretera.

Sin embargo, se identific aceros que, con la carga aplicada, la deformacin del material no sobrepase el lmite de fluencia y la estructura no tenga una deformacin permanente mantenindose en el rango elstico de 2,00E+11MPa, en sus zonas ms crticas, con un factor de seguridad deseable.

Para determinar el factor de seguridad se emplea la siguiente ecuacin:

[Ec. 5]

Siendo el esfuerzo de cedencia el valor el lmite de tensin al que llega el material previo a la deformacin permanente, y el esfuerzo permisible corresponde a la tensin mxima del diseo de la estructura.

 

Tabla 13: Factor de seguridad Aceros Alta Resistencia

V1

V2

 

Acero

MPa

TOR.

TOR.

MU.

AISI 1340 OIL QUEN.

834

1,55

1,95

3,10

AISI 4027 WATER QUEN.

917

1,70

2,14

2,69

AISI 4140 QUENCHED

986

1,83

2,30

3,67

AISI 4340 NORMALIZED

862

1,60

2,01

3,21

AISI 5140 OIL QUEN.

841

1,56

1,96

3,13

AISI 8630 WATER QUEN.

910

1,69

2,12

3,39

Fuente: Autores, 2021

 

La tabla 13 indica algunos aceros de alta resistencia recomendables para la simulacin del diseo de los vehculos analizados, especialmente para las piezas y fragmentos de las zonas ms afectadas en las pruebas de Torsin y en la Carga Muerta en el caso del V2, considerando que en el resto de pruebas de los casos de carga estos aceros otorgan un factor de seguridad de ms de 3 cumpliendo con los criterios de seguridad; independientemente del material seleccionado se debe contemplar el mtodo de soldadura y verificar que el material de aporte reduzca la cantidad de oxgeno para evitar grietas ocasionadas por las aleaciones metlicas (Monsalve, 2013), los aceros de la tabla se encuentran en la lista de materiales del software de SimSolid, aun as este posee la capacidad de importar nuevos materiales, puesto que al tratarse de vehculos extranjeros que se acogen a diferentes normativas, hay la opcin de colocar distintos materiales con las propiedades mecnicas necesarias para el estudio.

 

Conclusiones

Actualmente los fabricantes de vehculos se acogen a las normativas para el cumplimiento de fabricacin de chasis con aceros especiales de altas resistencias con aleaciones metlicas que comprendan la capacidad de proporcionar resistencia a la rotura, un alto lmite de fluencia, dureza y tenacidad. Se considera el proceso de soldadura, los tratamientos trmicos y el material de aporte seleccionado para la construccin de una estructura ptima.

Se logr efectuar el diseo y modelado de las de los chasis tubulares de dos vehculos elctricos categora L7e, su simulacin y anlisis estructural, en funcin de condiciones externas a las que la estructura de un vehculo est sometida, para determinar su resistencia en los peores escenarios estticos.

Se analiz el comportamiento de los materiales y sus propiedades, ensayados en el simulador SimSolid.

Para el anlisis Von Mises el V1 con el acero estndar de SimSolid, posee una tensin mxima de 1,10E+02 MPa en las cargas muertas lo que proporciona un Fs de 1,86 en las cargas vivas la tensin mxima es de 8,06E+01 MPa con un Fs de 2,54, en las cargas aerodinmicas el valor mximo es de 8,16E+00 MPa y un un Fs de 2,51, en las cargas de giro su tensin mxima es de 1,53E+02 MPa y un Fs 1,34, en las cargas de frenado el valor mximo obtenido es de 3,11E+01 MPa con un Fs de 6,60 siendo este el valor ms alto de Fs en las pruebas del v1, para la cargas de aceleracin se obtuvo 4,37E+01 MPa y un Fs de 4,69 y para las cargas de Torsin un valor mximo 5,39E+02, sobrepasa el lmite de fluencia con 334 MPa y un Fs sumamente bajo de 0,38; puesto que al colocar las cargas vivas y muertas y retirar las restricciones de un lado el valor resultante revela que la consola de la suspensin y el travesao delantero del lado opuesto llegan a una rotura.

En el anlisis Von Mises del V2, la tensin mxima en las cargas muertas es de 2,69E+02 MPa brindando un Fs de 0,70 en las cargas vivas la tensin mxima es de 1,44E+02 MPa con un Fs de 1,42, en las cargas aerodinmicas el valor mximo es de 5,17E+00 MPa y un un Fs de 3,96 en las cargas de giro su tensin mxima es de 1,21E+02 MPa y un Fs 1,69, en las cargas de frenado el valor mximo obtenido es de 5,02E+01 MPa con un Fs de 4,08, para la cargas de aceleracin se obtuvo 4,88E+01MPa y un Fs de 4,20, el valor ms alto de Fs en las pruebas del v2 y para las cargas de Torsin un valor mximo 4,28E+02 con un Fs de 0,47 y de igual manera en esta prueba el V2 llega a su mxima tensin en los largueros opuestos indicando su rotura.

Tanto el V1 como el V2 en la ltima prueba sobrepasan el lmite de fluencia con 334 MPa y 223 MPa, un Fs bajo de 0,38 y 0,47 concluyendo que las estructuras en esta prueba sobrepasan incluso el lmite de resistencia a la traccin lo que significa que el material no solo se deformara permanentemente, tambin dara origen a una rotura; por tal motivo se present varias opciones de aceros de alta resistencia con un factor de seguridad mayor de 1,50 para esta prueba, siendo esta el caso de carga ms drstico para la estructura. El presente estudio no hace referencia al sistema de suspensin, puesto que con este sistema la estructura y sus soldaduras tienen menor afectacin.

 

Referencias

1.              Abreu, J. L. (2012). Hiptesis, mtodo & diseo de investigacin (hypothesis, method & research design). Daena: International Journal of Good Conscience, 7(2), 187-197.

2.              Altair Engineering, I. (2021). Simcolid Anlisis estructural para iteraciones rpidas de diseo. (Altair SimSolid ) Recuperado el 1 de Enero de 2021, de https://www.altair.com.es/company/

3.              Bobeth, S., & Kastner, I. (2019). Buying an electric car: A rational choice or a norm-directed. Berlin: International Psychoanalytic University Berlin.

4.              BOLETN OFICIAL DEL ESTADO. (2016). En Orden FOM/273/2016, de 19 de febrero, por la que se aprueba la Norma 3.1- (pgs. 1-231). Madrid.

5.              Capellan, G. C. (2017). Caracterizacin del tren de potencia de un vehculo elctrico de categora L7 tipo Smart. Creative Commons.

6.              Cepeda, J. L. (2006). ANLISIS DEL COMPORTAMIENTO MECNICO DEL SISTEMA ESTRUCTURAL DEL AUTOBUS FELINE PARA LA EMPRESA CARROCERA MIRAL BUSES". 1-364.

7.              Condor Romero, K. B. (2019). Control autnomo del Renault Twizy y su modelo 3D en gazebo. Sevilla.

8.              Dianelis , R., Rotaris, L., & Giansoldati, M. (2020). Drivers preferences for electric cars in Italy. . Trieste: Dipartimento di Scienze Economiche.

9.              Doblado, B., & Marin, J. (2017). Vehiculos electricos e hibridos. Asturias : Graficas Summa.

10.          Dumon, A. (1992). Formar a los estudiantes en el mtodo experimental: Utopa o problema superado?. Enseanza de las ciencias: revista de investigacin y experiencias didcticas, 25-31.

11.          INSTITUTO ECUATORIANO DE NORMALIZACIN. (2009). En NORMA TCNICA ECUATORIANA NTE INEN 1323:2009. VEHICULOS AUTOMOTORES. CARROCERIAS DE BUSES. (pgs. 1-10). Quito.

12.          intercar. (2019).

13.          Lojacar. (s.f.). Lojacar. Recuperado el 14 de 09 de 2020, de https://www.lojacar.com.ec/es/renault-twizy

14.          Macci, . S. (2018). Comparativa del Renault Twizy con diferentes trenes de potencia.

15.          Mrquez, M. C. (2014). "DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN CHASIS TUBULAR PARA UN VEHCULO DE COMPETICIN TIPO SUPERCROSSCAR". 34-35.

16.          Monsalve, M. A. (7 de Octubre de 2013). Aceros de alta resistencia. Recuperado el 22 de Febrero de 2021, de https://es.slideshare.net/marcoandresmonsalve/aceros-de-alta-resistencia

17.          Mott, R. (2009). En Resistencia de Materiales Aplicada. Mexico : Pearson educacin.

18.          NTE INEN. (2016). Normativa NTE INEN 2656.

19.          Pellicer, E. L. (1997). Automviles Elctricos. Zaragoza: INO Reproducciones SA.

20.          REGLAMENTO (UE) No 168/2013 DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO. (2013). Diario Oficial de la Unin Europea, 1-77.

21.          REGLAMENTO (UE) No 168/2013 DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO relativo a la homologacin de los vehculos de dos o tres ruedas y los cuatriciclos, y a la vigilancia. (2013). Diario Oficial de la Unin Europea, 1-77.

 

 

 

 

 

2020 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/)

 

Enlaces de Referencia

  • Por el momento, no existen enlaces de referencia




Polo del Conocimiento              

Revista Científico-Académica Multidisciplinaria

ISSN: 2550-682X

Casa Editora del Polo                                                 

Manta - Ecuador       

Dirección: Ciudadela El Palmar, II Etapa,  Manta - Manabí - Ecuador.

Código Postal: 130801

Teléfonos: 056051775/0991871420

Email: [email protected][email protected]

URL: https://www.polodelconocimiento.com/

 

 

            



Top