������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������

An�lisis Estructural en veh�culos el�ctricos de categor�a L7E

 

Structural Analysis in electric vehicles of category L7E

 

An�lise estrutural em ve�culos el�ctricos da categoria L7E

 

 

�

 

 

 

 

Correspondencia: gureyesca@uide.edu.ec

Ciencias t�cnicas y aplicadas

Art�culo de investigaci�n

 

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

 

                               I.            Ingeniero Mec�nico Especialidad Automotriz, Mag�ster� Sistemas Automotrices, Coordinador Investigaci�n EIA Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador.

                            II.            Ingeniero Mec�nico, Magister en Ingenier�a Automotriz, Magister en Administraci�n 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 veh�culos L7e de distintas procedencias, los m�s comunes europeos y chinos, a los cuales se realiz� el an�lisis estructural de su dise�o, ya que representan una gran alternativa de movilidad urbana; se investig� acerca de las normativas de seguridad, criterios de dise�o y fabricaci�n para los veh�culos mencionados. Se compar� las diferentes variables en condiciones est�ticas. Se desarroll� las simulaciones con ingenier�a asistida por computador, se coloc� diferentes tipos de carga para simular las fuerzas ocurridas durante todo el trabajo de los veh�culos, en donde se compara la deformaci�n unitaria, el desplazamiento y la tensi�n de Von Mises. Para el c�lculo de las fuerzas obtenidas los veh�culos se rigen a la Normativa NTE INEN 1323 Requisitos de Veh�culos automotores. Se estudi� el comportamiento de los materiales en funci�n de condiciones externas a las que las estructuras est�n sometidas, para determinar su resistencia en los peores escenarios est�ticos. En la prueba de torsi�n ambos veh�culos superan el l�mite de fluencia con 334 MPa y 223 MPa, con un factor de seguridad bajo de 0,38 y 0,47 para el veh�culo europeo y chino respectivamente, siendo esta prueba la m�s dr�stica para la estructura; concluyendo que sobrepasan incluso el l�mite de resistencia a la tracci�n, lo que significa que el material ya dar�a 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 suspensi�n.

Palabras clave: Veh�culos L7e; normativas de seguridad; dise�o 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 ve�culos L7e de diferentes origens, os mais comuns europeus e chineses, aos quais foi realizada a an�lise estrutural de seu projeto, j� que representam uma �tima alternativa para a mobilidade urbana; Foram investigados os regulamentos de seguran�a, crit�rios de design e fabrica��o dos ve�culos mencionados. As diferentes vari�veis ​​foram comparadas em condi��es est�ticas. As simula��es foram desenvolvidas com engenharia auxiliada por computador, diferentes tipos de carga foram colocados para simular as for�as que ocorreram durante todo o trabalho dos ve�culos, onde foram comparadas a deforma��o da unidade, deslocamento e tens�o de Von Mises. Para o c�lculo das for�as obtidas, os ve�culos s�o regidos pelo Regulamento NTE INEN 1323, Requisitos para Ve�culos Autom�veis. O comportamento dos materiais foi estudado em fun��o das condi��es externas a que as estruturas est�o submetidas, para determinar a sua resist�ncia nos piores cen�rios est�ticos. No ensaio de tor��o, ambos os ve�culos ultrapassaram o limite de elasticidade com 334 MPa e 223 MPa, com um baixo fator de seguran�a de 0,38 e 0,47 para o ve�culo europeu e chin�s, respetivamente, sendo este o ensaio o mais dr�stico para a estrutura. concluindo que at� ultrapassam o limite de resist�ncia � tra��o, o que significa que o material j� daria lugar a uma ruptura; Por esse motivo, foram apresentadas v�rias op��es de a�os de alta resist�ncia com fator de seguran�a superior a 1,50; sabendo que o estudo n�o se refere ao sistema de suspens�o.

Palavras-chave: ve�culos L7e; regulamentos de seguran�a; projeto estrutural; for�as.

 

Introducci�n

Con la venta excesiva de autos, surge la necesidad de buscar soluciones al problema del tr�fico y la contaminaci�n ambiental,� lo que ha llevado a que el parque automotor se desarrolle en funci�n de la b�squeda de nuevas fuentes de movilidad y energ�a, varias marcas fabrican veh�culos que se adaptan a las v�as teniendo como alternativa los veh�culos el�ctricos, entre estos los veh�culos L7e, tambi�n llamados cuadriciclos ligeros que son una buena opci�n para movilizarse en distancias cortas, son sencillos, f�ciles de manejar, vers�tiles y econ�micos (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 m�s comunes europeos y chinos a los cuales se realiz� el an�lisis estructural con distintos casos de carga.

Se investig� acerca de las normativas y regulaciones de fabricaci�n, los requisitos y criterios de dise�o. Se analiz� estructuralmente el chasis del veh�culo, mediante softwares de ingenier�a asistida por computador para evaluar la tensi�n Von Mises, el desplazamiento y la deformaci�n unitaria; con estos resultados determinar el l�mite de fluencia de la estructura y su factor de seguridad. Se realiz� un estudio de las caracter�sticas mec�nicas de los veh�culos el�ctricos ofertados en el Ecuador, comparando las diferentes variables en condiciones est�ticas en relaci�n al c�lculo estructural y a las normativas de los veh�culos el�ctricos.

Las principales caracter�sticas de los veh�culos L7e el�ctricos con un tama�o de hasta 2.5 metros de longitud y uso mayormente en ambientes urbanos. Compuestos principalmente de una carrocer�a ligera con aleaciones de acero, aluminio, fibra de carb�n o fibra de vidrio y velocidades que no superan los 70km/h (Pellicer, 1997).

M�s del 90% de la demanda de energ�a a nivel mundial se cubre con recursos derivados del petr�leo sin embargo hoy en d�a los veh�culos el�ctricos est�n en auge como alternativa para emitir menos contaminaci�n que los veh�culos de combusti�n interna. (Condor Romero, 2019). Lo que significa que estos veh�culos son una buena opci�n de movilidad para quienes buscan distintas alternativas al motor de combusti�n y que se preocupan por el medio ambiente.

Un art�culo relacionado con la movilidad urbana de los veh�culos el�ctricos indica que el comportamiento de las personas al momento de comprar un veh�culo el�ctrico es impulsado por la innovaci�n de la tecnolog�a que est� detr�s de un veh�culo el�ctrico (Bobeth & Kastner, 2019).

Este art�culo se basa en los sistemas de seguridad veh�culos L7e mas no los sistemas de confort y actualizaci�n a nuevas tecnolog�as de estos.�

Otro estudio indica que un grupo mayoritario de personas en Italia se ven atra�dos por el rendimiento de los veh�culos el�ctricos, por tal motivo ser� importante la autonom�a de un veh�culo con respecto a otro para la elecci�n 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 pa�s. Las normativas son de cumplimiento obligatorio y a partir de estas se cumplir� por cada fabricante para cada pa�s (Doblado & Marin, 2017). Uno de los objetivos de este art�culo es llegar a los departamentos encargados de la homologaci�n de los veh�culos el�ctricos L7e cumplan con normativas b�sicas de seguridad activa y pasiva al momento de un accidente.

Para el cumplimiento del estudio se trabajar� con un m�todo de investigaci�n exploratorio y experimental, se realizar� simulaciones virtuales de pruebas de an�lisis estructural entre los cuadriciclos estudiados, para comparar sus resultados y examinar su dise�o.

Metodolog�a

El presente estudio tuvo un enfoque cuantitativo donde se implement� un m�todo de investigaci�n exploratorio � experimental, para la comparaci�n de las diferentes variables en condiciones est�ticas en relaci�n al an�lisis estructural. El m�todo de investigaci�n exploratorio plantea la b�squeda de una problem�tica, que beneficie la b�squeda y entendimiento de nuevos conceptos, soluciones y alternativas. Se estudia las variables y factores que ocasionan un fen�meno. (Abreu, 2012)

Para el desarrollo del dise�o de los modelos estudiados se utiliz� el m�todo experimental tomando en cuenta los c�lculos y valores que determinan las normativas. Esta metodolog�a extiende competencias y habilidades para encontrar soluciones, donde se analicen los procedimientos de la fabricaci�n de los veh�culos. (Dumon, 1992)

 

Veh�culo

Para las simulaciones se experiment� con dos cuadriciclos el�ctricos, el primero de procedencia francesa, por ser uno de los cuadriciclos m�s 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: Caracter�sticas de los veh�culos L7e.

Fuente: Autores, 2021

 

El primero es un veh�culo el�ctrico biplaza, existe en dos versiones, uno posee un motor de 4 kW y el otro de 8KW, con una Potencia M�xima kW CEE (cv) 13(17) @7250 rpm y un Torque M�ximo Nm CEE 57@2100 rpm, dispone de una caja autom�tica con una velocidad, tiene una autonom�a real de 60 a 70 km. (Macci�, 2018)

 

Figura 1: Veh�culo Europeo

Fuente: (Lojacar)

 

El segundo es un veh�culo el�ctrico biplaza, posee un motor de 4,5 kW con una Potencia M�xima 1,3 kW y con un tiempo de carga de 220/8 horas, cuenta con una caja autom�tica. Tiene una autonom�a real de 75km dependiendo las variables del terreno� (intercar, 2019)

 

Figura 2: Veh�culo Chino

Fuente: (intercar, 2019)

 

Se desarroll� el an�lisis de los veh�culos seleccionados ya que, al ser el�ctricos, de f�cil manejo y de un precio accesible para el p�blico son una alternativa distinta que beneficia al tr�fico y al ahorro de combustible. (Capellan, 2017)

 

Altair SimSolid

Se utiliz� un software de ingenier�a asistida por computador que simula y verifica como act�a cada elemento analizado de manera est�tica y din�mica, se obtiene la informaci�n necesaria sobre variables de an�lisis como, temperatura, fuerzas, presi�n, etc., y elimina la elaboraci�n del mallado, teniendo una gran ventaja sobre otros softwares de elementos finitos, con resultados reales y en un tiempo casi inmediato. La ingenier�a asistida por computador evita la instrumentaci�n de las estructuras con galgas extensiom�tricas para la obtenci�n de informaci�n de esfuerzos y reacciones en presencia de cargas. (Altair Engineering, 2021)

 

Normativa Construcci�n L7E

Seg�n establece el Reglamento (Ue) No 168/2013 Del Parlamento Europeo Y Del Consejo, es obligaci�n de los fabricantes asegurarse de que, cuando sus veh�culos sean introducidos en el mercado, est�n fabricados y homologados. Los fabricantes dise�an sus veh�culos con el fin de disminuir el riesgo de lesiones de los ocupantes de veh�culos, asegurando que tengan la misma durabilidad. Garantizar�n que los veh�culos 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 homologaci�n de los veh�culos de dos o tres ruedas y los cuatriciclos, y a la vigilancia, 2013)

NTE INEN 1323 Primera revisi�n Veh�culos Automotores. Carrocer�as De Buses. Requisitos.

Indica los requisitos para el dise�o, fabricaci�n y montaje de carrocer�as en el Ecuador; establece los criterios y par�metros para el c�lculo de las cargas vivas, muertas, de resistencia del aire frontal, de giro, frenado y aceleraci�n, los c�lculos realizados que se indican a continuaci�n est�n basados en esta normativa, para con estos valores efectuar las simulaciones respectivas. (INSTITUTO ECUATORIANO DE NORMALIZACI�N, 2009)

 

 

 

Resultados y discusi�n

Para la elaboraci�n de tablas y gr�ficas se identifica los t�rminos V1 y V2 correspondientes al veh�culo europeo y veh�culo chino.

 

Tabla 2: Datos de entrada

Fuente: Autores, 2021

 

Casos de Cargas

Cargas muertas y vivas

El primer an�lisis de cargas viene dado por el peso bruto de los veh�culos, se denomina cargas muertas al total de la masa del chasis, carrocer�a, sistemas y componentes del autom�vil 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 c�lculos respectivos se ha tomado en cuenta este valor. (INSTITUTO ECUATORIANO DE NORMALIZACI�N, 2009)

 

Tabla 3: Cargas Peso Total

Fuente: Autores, 2021

 

Se propuso realizar los c�lculos exponiendo a los veh�culos a su m�xima 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 aerodin�micas

Las cargas aerodin�micas vienen dadas por la fuerza que ejerce el viento en un �rea transversal, en este caso del veh�culo en movimiento (Cepeda, 2006). Para el an�lisis de cargas aerodin�micas se propone la siguiente ecuaci�n:

�[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 veh�culo. (m2)

Vt= Velocidad. (km/h)

El coeficiente de resistencia aerodin�mico al avance para un autom�vil 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 c�lculo es de 50 km/h ya que es el l�mite de velocidad m�ximo en la ciudad de Quito. El veh�culo europeo posee una versi�n con un motor de 4,5 kW que alcanza los 45 km/h sin embargo, para los c�lculos se analiz� �nicamente la versi�n de motor 8 kW.

El �rea frontal en la secci�n transversal de los veh�culos se obtuvo a partir de los dise�os en el software de Inspire Estudio de Altair Estudios midiendo en perfil frontal.

 

Tabla 4: Cargas Aerodin�micas

Fuente: Autores, 2021

 

La tabla 4. evidencia los resultados de la ecuaci�n de la carga de resistencia del viento para ambos veh�culos 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 veh�culo entrar a una curva, (Cepeda, 2006) para obtener los resultados se aplica la siguiente ecuaci�n:

[Ec. 2]

Donde:

Fg= Fuerza de Giro. (N)

M= Masa de la estructura (kg).

V2= Velocidad al cuadrado (m/s)

r= Radio m�nimo

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

 

Tabla 5: Fuerza de Giro

Fuente: Autores, 2021

 

La tabla 5. indica los valores de la fuerza de giro que se aplic� a los veh�culos en la simulaci�n.

Carga de frenado brusco

Todos los veh�culos est�n sometidos a una carga de frenado, que ser� opuesta a la direcci�n del movimiento del mismo. (Cepeda, 2006)

Para determinar el valor del frenado se utiliz� la siguiente ecuaci�n:

�[Ec. 3]

 

Donde:

a_frenado= frenado(N)

V= Velocidad inicial (m/s).

Vf= Velocidad final (m/s).

t= Tiempo (s).

 

Tabla 6: Cargas de Frenado Violento

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 ecuaci�n anterior. La NTE INEN 1323:2009 asume que la carga de frenado para buses debe ser mayor o igual a 4 m/s2 seg�n los ensayos de frenado y rendimiento de los dispositivos de frenado de la Directiva 98/12/Ce De La Comisi�n Europea (INSTITUTO ECUATORIANO DE NORMALIZACI�N, 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:

f_r= Fuerza de frenado(N)

M= Masa (kg).

a_frenado = frenado.

 

Tabla 7: Fuerza de Frenado

Fuente: Autores, 2021

 

La tabla 7. indica la fuerza de frenado resultante de la ecuaci�n prescrita anteriormente.

 

Carga De Aceleraci�n Brusca

El caso de carga de Aceleraci�n violenta se realiza del mismo modo que el de carga de frenado, la diferencia se encuentra en que en la aceleraci�n la fuerza que experimenta el veh�culo se dirige en la misma direcci�n que el del movimiento de este. (Cepeda, 2006)

 

Modelos a evaluar

Se efectu� el dise�o de los veh�culos el�ctricos de categor�a L7e, el primero el veh�culo europeo y el segundo el veh�culo chino.

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

 

Figura 3: Dise�o modelo europeo/ modelo chino

Fuente: Autores

 

Proceso de Simulaci�n

Se analiz� el comportamiento de los materiales, se coloc� restricciones y cargas a los modelos puestos a prueba en el simulador SimSolid, el an�lisis se enfoca en el esfuerzo de Von Mises, el desplazamiento y la deformaci�n unitaria; en los siguientes casos de carga; muertas, vivas, de frenado, aceleraci�n, giro y torsi�n. Existe un c�digo de colores que indica los valores m�nimos y m�ximos de tensi�n, desplazamiento y deformaci�n siendo los tonos rojizos las zonas m�s afectadas. Al no tener un registro oficial del material espec�fico utilizado para la construcci�n del chasis tubular por los fabricantes respectivos, en el software se realiz� el an�lisis de ambos veh�culos con el acero est�ndar del software, cuyo l�mite de fluencia es de 205 MPa.

 

�An�lisis Von Mises

Von Mises analiza la distribuci�n de esfuerzos en una estructura para determinar si el material utilizado es el adecuado y si el dise�o es �ptimo. (M�rquez, 2014)

 

Tabla 8: Datos del material empleado

Fuente: Autores

 

Cargas Muertas

El valor m�ximo de tensi�n Von Mises en el V1 es 1,10E+02 MPa; en el V2 es de 2,69E+02 MPA siendo esta una tensi�n mayor debido a que la carrocer�a 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 dimensi�n posee disponibilidad de asientos para 4 ocupantes, al contrario del V1 que dispone asientos para 2 ocupantes �nicamente, por esta raz�n en las cargas vivas el valor m�ximo del V1 es de 1,10E+02 MPa y el V2 de 1,44E+02 MPa. (Fig. 8).

 

Cargas Aerodin�micas

Debido a que las cargas Aerodin�micas se refieren a la fuerza de la resistencia del viento a la que est� sometida un veh�culo en movimiento en toda su �rea frontal, se observa que el V1 soporta una tensi�n m�xima de 8,16E+00 MPa en la soldadura de los pilares delanteros con la consola para resortes y el travesa�o, ya que por delante se encuentra el parabrisas siendo esta el �rea m�s 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 tensi�n m�xima de 5,17E+00 MPa. (Fig. 9).

 

Cargas de Giro

Se estudia las cargas de giro, que se generan cuando el veh�culo ingresa a una curva y se enfrenta a una fuerza centr�fuga, estas cargas empujan a los pilares de ambos lados de la estructura en una misma direcci�n; en esta prueba la carga de la simulaci�n se realiz� por el lado derecho hacia el izquierdo de la estructura, como referencia, desde el c�digo de colores con los valores resultantes hacia adentro. El V1 tiene una tensi�n m�xima de 1,53E+02 MPa en la misma zona de la uni�n del pilar delantero con la consola de la suspensi�n y el travesa�o y el V2 tiene una tensi�n m�xima de 1,21E+02 MPa en los largueros traseros a raz�n del desplazamiento en direcci�n a la fuerza. (Fig. 10).

 

Carga de Frenado

En el caso del an�lisis de frenado brusco las cargas se producen en los pilares verticales desde atr�s hacia adelante por la inercia, en ambos veh�culos la tensi�n m�xima se encuentra en la zona delantera, ya que es la que absorbe la fuerza, el V1 posee una tensi�n m�xima de 3,11E+01 MPa y el V2 de 5,02E+01 MPa. (Fig. 11).

 

Cargas de Aceleraci�n

El an�lisis de carga de Aceleraci�n brusca tiene el mismo principio que el de frenado, variando la direcci�n de la fuerza, ya que en la aceleraci�n las cargas se producen de adelante hacia atr�s. El m�ximo valor de tensi�n del V1 es de 4,37E+01 MPa en el travesa�o 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 tensi�n m�xima de 4,88E+01 MPa en los largueros traseros puesto que su estructura tambi�n un posee un desplazamiento hacia atr�s. En ambos an�lisis el peso del veh�culo y los pasajeros incide en que el V2 posea mayores tensiones. (Fig. 12).

 

Cargas de Torsi�n

El an�lisis de Torsi�n se efectu� al colocar las cargas vivas y muertas y al retirar las restricciones del lado derecho para simular que el veh�culo se desplaza sobre alguna irregularidad. El V1 obtuvo una tensi�n m�xima de 5,39E+02 MPa en la consola de la suspensi�n y el travesa�o delantero del lado opuesto, dado que este efecto trata de torcer la estructura. De igual manera el V2 consigue la m�xima tensi�n 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 an�lisis de tensi�n de Von Mises para los dos veh�culos.

 

Figura 4: V1 vs V2 curvas Von Mises

Fuente: Autores, 2021

�

Se observa que las tensiones Von Mises del V2 son m�s altas que las del V1 teniendo en cuenta que el peso total es mayor, las curvas tienen un mayor crecimiento, a excepci�n de la carga aerodin�mica y de giro que el V1 sobrepasa al V2 por su dise�o m�s compacto; los valores generales de los casos de carga se encuentran en la tabla 9.

 

An�lisis de Desplazamiento

En el an�lisis de desplazamiento se estudi� la deflexi�n de las estructuras, cabe recalcar que el desplazamiento es casi imperceptible en situaciones reales, sin embargo, la simulaci�n realiza el desplazamiento con el grado de movimiento a elecci�n del usuario para enfatizar el an�lisis.

 

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 travesa�os 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, carrocer�a, sistemas y elementos del veh�culo. (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 sit�an los pasajeros, el V1 tiene un desplazamiento de 1,14E+04 MPa y el V2 de 4,05E+03 MPa. (Fig. 15).

 

Carga Aerodin�mica

El desplazamiento demuestra el movimiento en las zonas m�s cr�ticas 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 travesa�os 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 m�ximo de 1,52e+00 mm y el V2 de 3,42e+00mm, en ambos veh�culos 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 aceleraci�n negativa, el veh�culo es empujado a la misma direcci�n 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 Aceleraci�n

La carga de aceleraci�n brusca empuja a la estructura en direcci�n opuesta a la de su movimiento, y en este an�lisis la parte superior de las estructuras se desplazan hacia atr�s, el V1 se desplaza 3,83E+03 mm en sus zonas m�s afectadas y el V2 2,02E+04 mm. (Fig. 19).

 

Carga de Torsi�n

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 travesa�os 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 ilustraci�n de las curvas de los valores de m�nimos a m�ximos del desplazamiento obtenido en las cargas consideradas. (Fig. 20).

 

Figura 5: V1 vs V2 curvas Desplazamiento

Fuente: Autores, 2021

 

En la gr�fica 5. se observa que el V1 obtiene un mayor desplazamiento en los casos de carga que el V2, a excepci�n del caso de carga aerodin�mica 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.

 

Deformaci�n Unitaria

Se revis� la deformaci�n que sufre cada elemento de la estructura tras las tensiones provocadas por las cargas. Como en este estudio se analiza �nicamente el material el�stico lineal donde no excede el l�mite el�stico a pl�stico las deformaciones m�s cr�ticas se encuentran en las mismas zonas que en las del an�lisis de tensi�n.

 

Cargas Muertas

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

 

Cargas Vivas

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

 

Cargas Aerodin�micas

La deformaci�n en las cargas aerodin�micas al igual que en el an�lisis de la tensi�n Von Mises la deformaci�n m�xima se encuentra en la zona posterior de los elementos que ejercen mayor resistencia al viento por ser las m�s expuestas. El V1 tiene su mayor deformaci�n en la zona de soldadura m�s afectada de 3,51E-01 y el V2 de 2,22E-01 en la uni�n del pilar y largueros traseros. (Fig. 23).

 

Cargas de Giro

La deformaci�n unitaria se encuentra en el pilar y el travesa�o delantero para el V1 con una deformaci�n de 6,59E+00 y en el larguero posterior con una deformaci�n 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 deformaci�n en la soldadura del pilar delantero con su travesa�o y la consola de la suspensi�n siendo de 1,34E+00, en el V2 los largueros centrales sufren la mayor deformaci�n de 2,16E+00 debido al empuje por la inercia. (Fig. 25).

 

Cargas de Aceleraci�n

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

 

Cargas de Tensi�n

La deformaci�n al igual que la tensi�n en las cargas de torsi�n se presenta en direcciones opuestas a las de la carga causando grandes concentraciones de esfuerzos. El V1 tiene su deformaci�n m�xima de 2,32E+01 y el V2 de 3,86E+01 siendo esta mayor que la del primer veh�culo.

La figura 6 indica las curvas de los valores de m�nimos a m�ximos de deformaci�n unitaria de las cargas estudiadas. (Fig. 27).

 

Figura 6: V1 vs V2 curvas de Deformaci�n Unitaria

Fuente: Autores, 2021

 

En la gr�fica de la deformaci�n unitaria el V1 posee una mayor deformaci�n unitaria en las cargas muertas, aerodin�micas, de torsi�n y de giro, y el V2 en las cargas vivas, frenado y de aceleraci�n; en la tabla 9. se encuentran todos los valores de las curvas anteriores.

 

Tabla 9: Tabla Comparativo V1 y V2. Valores M�ximos en Casos de Carga

Fuente: Autores, 2021

 

En la tabla 9 se observa los valores m�ximos 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 torsi�n el V1 sufre el mayor esfuerzo identificado, siendo este el valor m�ximo en todas las pruebas de ambos veh�culos, dado que al retirar las restricciones de un lado para la simulaci�n del veh�culo sobre alguna irregularidad, la consola de la suspensi�n y el travesa�o delantero del lado opuesto se afectan, a causa de que este efecto trata de torcer la estructura.

 

L�mite de Fluencia

Se origina cuando el material de la estructura supera el l�mite de esfuerzo, para cambiar su composici�n de el�stico a pl�stico, y su deformaci�n se torna permanente.

En la siguiente tabla se indica los valores de m�xima tensi�n obtenidos en las pruebas de Von Mises. (Mott, 2009)

 

Tabla 12: Valores M�ximos Von Mises que sobrepasan l�mite de Fluencia

Fuente: Autores, 2021

 

Los valores rojos indican los resultados que sobrepasan el valor del l�mite 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 veh�culo sufrir�a una deformaci�n irreversible con el peso de todos sus sistemas, elementos y componentes del mismo, la siguiente prueba que sobrepaso el l�mite de fluencia es la de torsi�n ya que en esta prueba, ambos veh�culos generan resultados que duplican su valor, tomando en consideraci�n que el presente estudio tiene un enfoque �nicamente en el an�lisis del chasis mas no en el sistema de suspensi�n, siendo este sistema el que amortigua y protege a la carrocer�a de las irregularidades de la carretera.

Sin embargo, se identific� aceros que, con la carga aplicada, la deformaci�n del material no sobrepase el l�mite de fluencia y la estructura no tenga una deformaci�n permanente manteni�ndose en el rango el�stico de 2,00E+11MPa, en sus zonas m�s cr�ticas, con un factor de seguridad deseable.

Para determinar el factor de seguridad se emplea la siguiente ecuaci�n:

[Ec. 5]

Siendo el esfuerzo de cedencia el valor el l�mite de tensi�n al que llega el material previo a la deformaci�n permanente, y el esfuerzo permisible corresponde a la tensi�n m�xima del dise�o de la estructura.

 

Tabla 13: Factor de seguridad Aceros Alta Resistencia

Fuente: Autores, 2021

 

La tabla 13 indica algunos aceros de alta resistencia recomendables para la simulaci�n del dise�o de los veh�culos analizados, especialmente para las piezas y fragmentos de las zonas m�s afectadas en las pruebas de Torsi�n 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� m�s de 3 cumpliendo con los criterios de seguridad; independientemente del material seleccionado se debe contemplar el m�todo de soldadura y verificar que el material de aporte reduzca la cantidad de ox�geno para evitar grietas ocasionadas por las aleaciones met�licas (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 veh�culos extranjeros que se acogen a diferentes normativas, hay la opci�n de colocar distintos materiales con las propiedades mec�nicas necesarias para el estudio.

 

Conclusiones

Actualmente los fabricantes de veh�culos se acogen a las normativas para el cumplimiento de fabricaci�n de chasis con aceros especiales de altas resistencias con aleaciones met�licas que comprendan la capacidad de proporcionar resistencia a la rotura, un alto l�mite de fluencia, dureza y tenacidad. Se considera el proceso de soldadura, los tratamientos t�rmicos y el material de aporte seleccionado para la construcci�n de una estructura �ptima.

Se logr� efectuar el dise�o y modelado de las de los chasis tubulares de dos veh�culos el�ctricos categor�a L7e, su simulaci�n y an�lisis estructural, en funci�n de condiciones externas a las que la estructura de un veh�culo est� sometida, para determinar su resistencia en los peores escenarios est�ticos.

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

Para el an�lisis Von Mises el V1 con el acero est�ndar de SimSolid, posee una tensi�n m�xima de 1,10E+02 MPa en las cargas muertas lo que proporciona un Fs de 1,86 en las cargas vivas la tensi�n m�xima es de 8,06E+01 MPa con un Fs de 2,54, en las cargas aerodin�micas el valor m�ximo es de 8,16E+00 MPa y un un Fs de 2,51,� en las cargas de giro su tensi�n m�xima es de 1,53E+02 MPa y un Fs 1,34, en las cargas de frenado el valor m�ximo obtenido es de 3,11E+01 MPa con un Fs de 6,60 siendo este el valor m�s alto de Fs en las pruebas del v1, para la cargas de aceleraci�n se obtuvo 4,37E+01 MPa y un Fs de 4,69 y para las cargas de Torsi�n un valor m�ximo 5,39E+02, sobrepasa el l�mite 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 suspensi�n y el travesa�o delantero del lado opuesto llegan a una rotura.

En el an�lisis Von Mises del V2, la tensi�n m�xima en las cargas muertas� es de 2,69E+02 MPa brindando un Fs de 0,70 en las cargas vivas la tensi�n m�xima es de 1,44E+02 MPa con un Fs de 1,42, en las cargas aerodin�micas el valor m�ximo es de 5,17E+00 MPa y un un Fs de 3,96� en las cargas de giro su tensi�n m�xima es de 1,21E+02 MPa y un Fs 1,69, en las cargas de frenado el valor m�ximo obtenido es de 5,02E+01 MPa con un Fs de 4,08, para la cargas de aceleraci�n se obtuvo 4,88E+01MPa y un Fs de 4,20, el valor m�s alto de Fs en las pruebas del v2 y para las cargas de Torsi�n un valor m�ximo 4,28E+02 con un Fs de 0,47 y de igual manera en esta prueba el V2 llega a su m�xima tensi�n en los largueros opuestos indicando su rotura.

Tanto el V1 como el V2 en la �ltima prueba sobrepasan el l�mite 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 l�mite de resistencia a la tracci�n lo que significa que el material no solo se deformar�a permanentemente, tambi�n dar�a 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 m�s dr�stico para la estructura.� El presente estudio no hace referencia al sistema de suspensi�n, puesto que con este sistema la estructura y sus soldaduras tienen menor afectaci�n.

 

Referencias

1.              Abreu, J. L. (2012). Hip�tesis, m�todo & dise�o de investigaci�n (hypothesis, method & research design). Daena: International Journal of Good Conscience, 7(2), 187-197.

2.              Altair Engineering, I. (2021). Simcolid An�lisis estructural para iteraciones r�pidas de dise�o. (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.              BOLET�N OFICIAL DEL ESTADO. (2016). En Orden FOM/273/2016, de 19 de febrero, por la que se aprueba la Norma 3.1- (p�gs. 1-231). Madrid.

5.              Capellan, G. C. (2017). Caracterizaci�n del tren de potencia de un veh�culo el�ctrico de categor�a L7 tipo Smart. Creative Commons.

6.              Cepeda, J. L. (2006). �AN�LISIS DEL COMPORTAMIENTO MEC�NICO DEL SISTEMA ESTRUCTURAL DEL AUTOBUS FELINE PARA LA EMPRESA CARROCERA MIRAL BUSES". 1-364.

7.              Condor Romero, K. B. (2019). Control aut�nomo 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 m�todo experimental:� Utop�a o problema superado?. Ense�anza de las ciencias: revista de investigaci�n y experiencias did�cticas, 25-31.

11.          INSTITUTO ECUATORIANO DE NORMALIZACI�N. (2009). En NORMA T�CNICA ECUATORIANA NTE INEN 1323:2009. VEHICULOS AUTOMOTORES. CARROCERIAS DE BUSES. (p�gs. 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.          M�rquez, M. C. (2014). "DISE�O Y CONSTRUCCI�N DE UN CHASIS TUBULAR PARA UN VEH�CULO DE COMPETICI�N 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 educaci�n.

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

19.          Pellicer, E. L. (1997). Autom�viles El�ctricos. Zaragoza: INO Reproducciones SA.

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

21.          REGLAMENTO (UE) No 168/2013 DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO relativo a la homologaci�n de los veh�culos de dos o tres ruedas y los cuatriciclos, y a la vigilancia. (2013). Diario Oficial de la Uni�n Europea, 1-77.

 

 

 

 

 

� 2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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