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Dise�o matem�tico para la construcci�n de un bastidor mediante normas de calidad y seguridad para chas�s de bus con fines de producci�n nacional

 

Mathematical design for the construction of a frame through quality and safety standards for bus chassis for national production purposes

 

Projeto matem�tico para a constru��o de um chassis atrav�s de normas de qualidade e seguran�a para chassis de �nibus para produ��o nacional

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: javier.albuja@espoch.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnica y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de mayo de 2023 *Aceptado: 12 de junio de 2023 * Publicado: �11 de julio de 2023

 

1. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.
2. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.
3. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.�������

Resumen

En el presente trabajo se ha realizado el dise�o de un bastidor tipo escalera para chas�s de autob�s, para conocer la factibilidad de producci�n a nivel nacional, para lo cual se realiz� el dise�o y modelado en SolidWorks, tomando en cuenta el ancho y largo m�ximo de la carrocer�a, en base a las normas t�cnicas INEN 1323, 2205 y 1668. Posteriormente se analiza las cargas soportadas por el bastidor, debidas al peso de los componentes normalizados del chas�s y las cargas de la carrocer�a, pasajeros y bodegas, para un peso bruto vehicular m�ximo de 17 000 kg.

Adem�s se realiz� un estudio de oferta y demanda de chasises para autob�s recolectando datos de ventas de la Asociaci�n de Empresas Automotrices del Ecuador y la producci�n de carrocer�as en el a�o 2014. Se cotiz� el precio de la materia prima disponible en el pa�s y de los elementos acoplados al chas�s para obtener el coste final.

Los resultados obtenidos en Ansys nos dan un coeficiente de seguridad de 1,7 para autob�s� urbano y de 1,5 para autob�s interprovincial. El equivalente de Von Misses es de 165 MPa y la deformaci�n m�xima de 8,36 mm para el caso m�s extremo de carga. Estos datos obtenidos se dan a partir de un modelo con perfiles en U de acero ASTM A36 de 235 MPa de l�mite de fluencia.

El estudio de factibilidad determin� que el coste del bastidor m�s lo elementos normalizados es similar al costo de los chasises disponibles en el mercado.

Palabras Clave: Resistencia; Bastidor; Factibilidad; Dise�o; Montaje; Peso.

 

Abstract

In the present work, the design of a ladder-type frame for bus chassis has been carried out, to know the feasibility of production at a national level, for which the design and modeling was carried out in SolidWorks, taking into account the maximum width and length of the bodywork, based on the technical standards INEN 1323, 2205 and 1668. Subsequently, the loads supported by the frame are analyzed, due to the weight of the standardized components of the chassis and the loads of the bodywork, passengers and warehouses, for a gross weight maximum vehicle weight of 17,000 kg.

In addition, a study of supply and demand for bus chassis was carried out, collecting sales data from the Association of Automotive Companies of Ecuador and the production of bodywork in 2014. The price of the raw material available in the country and the prices of the elements attached to the chassis to obtain the final cost.

The results obtained in Ansys give us a safety coefficient of 1.7 for urban buses and 1.5 for interprovincial buses. The Von Misses equivalent is 165 MPa and the maximum deformation is 8.36 mm for the most extreme load case. These data obtained are given from a model with U-shaped profiles of ASTM A36 steel with a yield point of 235 MPa.

The feasibility study determined that the cost of the frame plus the standard elements is similar to the cost of the chassis available on the market.

Keywords: Endurance; Frame; Feasibility; Design; Mounting; Weight.

 

Resumo

No presente trabalho foi realizado o dimensionamento de uma estrutura tipo escada para chassis de �nibus, para conhecer a viabilidade de produ��o a n�vel nacional, para o qual o projeto e modelagem foi realizado em SolidWorks, levando em considera��o a largura m�xima e comprimento da carroceria, com base nas normas t�cnicas INEN 1323, 2205 e 1668. Posteriormente, s�o analisadas as cargas suportadas pela estrutura, devido ao peso dos componentes padronizados do chassi e as cargas da carroceria, passageiros e armaz�ns , para um peso bruto m�ximo do ve�culo de 17.000 kg.

Al�m disso, foi realizado um estudo de oferta e demanda de chassis de �nibus, coletando dados de vendas da Associa��o de Empresas Automotivas do Equador e produ��o de carrocerias em 2014. O pre�o da mat�ria-prima dispon�vel no pa�s e os pre�os do elementos fixados ao chassi para obten��o do custo final.

Os resultados obtidos em Ansys nos d�o um coeficiente de seguran�a de 1,7 para �nibus urbanos e 1,5 para �nibus interprovinciais. O equivalente Von Misses � de 165 MPa e a deforma��o m�xima � de 8,36 mm para o caso de carga mais extremo. Esses dados obtidos s�o dados a partir de um modelo com perfis em forma de U de a�o ASTM A36 com limite de escoamento de 235 MPa.

O estudo de viabilidade determinou que o custo do quadro mais os elementos padr�o � semelhante ao custo do chassi dispon�vel no mercado.

Palavras-chave: Resist�ncia; Quadro; Viabilidade; Projeto; Montagem; Peso.

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Introducci�n

Los avances tecnol�gicos hoy en d�a, son cada vez mayores y nos dan herramientas de software que nos ayudan a dise�ar los diferentes elementos del veh�culo, utilizando los materiales m�s adecuados que est�n de acuerdo a las necesidades actuales y resistan las condiciones clim�ticas y de trabajo m�s extremas.

Uno de los mayores desaf�os en la industria de fabricaci�n de chas�s para diferentes veh�culos, es resolver la demanda creciente, mejorar su performance, bajar de peso, incrementar la vida �til de sus componentes, mejorar los procesos de fabricaci�n, dise�o y prestaci�n, incorporando nuevos materiales, utilizando herramientas computacionales que permitan acelerar los procesos y lograr dise�os m�s resistentes, de menor peso, optimizados de tal manera que los costos de las unidades sean razonables para el cliente y para el fabricante, en un per�odo corto de tiempo.

Gran parte de los veh�culos tienen el bastidor separado de la carrocer�a, especialmente camionetas y veh�culos pesados que son utilizados para trabajos de carga que demandan grandes prestaciones.

Un enemigo potencial del bastidor es el tiempo de vida �til que disminuye las propiedades mec�nicas del material por lo que tienden a romperse por la fatiga debida al transcurso del trabajo y a la superaci�n del l�mite de fluencia del material.

 

AN�LISIS DE LOS ESFUERZOS PRODUCIDOS EN EL BASTIDOR

Se realizar� un an�lisis de los esfuerzos que se producen en un bastidor, y se profundizar� en cada caso de carga a los cuales est� sometido el mismo para de esta manera comprender cada uno de ellos.

 

DETERMINACI�N DE LOS MATERIALES DEL BASTIDOR

Existen diferentes materiales de construcci�n de perfiles para bastidores, en nuestro medio tenemos el acero ASTM A36 que tiene las siguientes propiedades:

 

Tabla 1. Propiedades mec�nicas del acero ASTM A36

Fuente: Cat�logo DIPAC

 

Para la construcci�n de bastidores de autobuses Chevrolet se utiliza el acero SAPH440 cuyas especificaciones se muestran en la tabla 2.

 

Tabla 2. Propiedades mec�nicas del acero SAPH440

Fuente: Manual de Constructores de Carrocer�as GM

 

Los bastidores para veh�culos pesados IVECO son de acero FeE420.

 

Tabla 3. Propiedades mec�nicas del acero FeE420

Fuente: IVECO gama euro

 

Hino motors, que actualmente comercializa su chas�s para autob�s Hino AK8JRSA, su bastidor tiene las caracter�sticas mostradas en la siguiente tabla:

 

Tabla 4. Propiedades mec�nicas del bastidor de HINO

Fuente: Manual de montaje de carrocer�as Hino.

 

En la siguiente tabla se puede ver las propiedades mec�nicas recomendadas y que son v�lidas para todos los aceros estructurales, los cuales son utilizados para la fabricaci�n de diferentes elementos y que son �ptimos para su uso en diferentes tipos de estructuras met�licas.

 

Tabla 5. Propiedades mec�nicas recomendadas para los aceros estructurales

Fuente: http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn69.html

 

Como conclusi�n se tiene que el acero ASTM A36 con buenas propiedades mec�nicas que tiene una resistencia que est� dentro del rango de los aceros utilizados en la construcci�n de bastidores.

 

DETERMINACI�N DE LOS MATERIALES DEL BASTIDOR

Existen diferentes materiales de construcci�n de perfiles para bastidores, en nuestro medio tenemos el acero ASTM A36 que tiene las siguientes propiedades:

 

Tabla 6. Propiedades mec�nicas del acero ASTM A36

Fuente: Cat�logo DIPAC

Para la construcci�n de bastidores de autobuses Chevrolet se utiliza el acero SAPH440 cuyas especificaciones se muestran en la tabla 7.

 

Tabla 7. Propiedades mec�nicas del acero SAPH440

Fuente: Manual de Constructores de Carrocer�as GM

 

Los bastidores para veh�culos pesados IVECO son de acero FeE420.

 

Tabla 8. Propiedades mec�nicas del acero FeE420

Fuente: IVECO gama euroHino motors, que actualmente comercializa su chas�s para autob�s Hino AK8JRSA, su bastidor tiene las caracter�sticas mostradas en la siguiente tabla:

 

Tabla 9. Propiedades mec�nicas del bastidor de HINO

Fuente: Manual de montaje de carrocer�as Hino.

Como se puede verificar en las tablas anteriores se tienen materiales con diferentes propiedades estructurales los cuales son propios de cada empresa los mismos que son utilizados para la construcci�n de sus respectivos bastidores. El l�mite el�stico se considera para el dise�o debido a que si se supera �ste valor, el material sufrir� una deformaci�n permanente (deformaci�n pl�stica) lo cual afecta notablemente a la estructura y lo cual no garantiza el desempe�o eficaz de la misma.

En la siguiente tabla se puede ver las propiedades mec�nicas recomendadas y que son v�lidas para todos los aceros estructurales, los cuales son utilizados para la fabricaci�n de diferentes elementos y que son �ptimos para su uso en diferentes tipos de estructuras met�licas.

 

Tabla 10. Propiedades mec�nicas recomendadas para los aceros estructurales

Fuente: http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn69.html

 

Como conclusi�n se tiene que el acero ASTM A36 con buenas propiedades mec�nicas que tiene una resistencia que est� dentro del rango de los aceros utilizados en la construcci�n de bastidores.

 

DISE�O DEL BASTIDOR

Para dise�o de bastidores de veh�culos pesados se toma en cuenta que se va a transportar grandes masas, lo que condiciona las caracter�sticas t�cnicas y constructivas que deben poseer.

Los principales factores a tomar en cuenta para el dise�o� son las dimensiones del veh�culo, la carga que se va a transportar, la rigidez y el proceso de fabricaci�n.

Adem�s, debe considerarse la estabilidad de los miembros estructurales, la capacidad de carga de las uniones, la fabricaci�n y el montaje final en el veh�culo.

De los diferentes tipos de bastidores que existen se elige el bastidor tipo escalera, ya que es el m�s utilizado en este tipo de veh�culos debido a que se puede adaptar a cualquier tipo de carrocer�a brindando as� mayor facilidad de carrozado. El bastidor tipo escalera nos ofrece alta rigidez estructural y sencillez de fabricaci�n y ensamblado.

 

Dimensionamiento del bastidor

En el Ecuador se importa diferentes tipos de chas�s para autob�s, los que se muestra en las siguientes tablas.

 

Tabla 11. Dimensiones del Chas�s HINO AK8JRSA

Fuente: Manual de carrozado HINO

El chas�s para autob�s marca Mercedes Benz tiene las caracter�sticas mostradas en la siguiente tabla.

 

Tabla 12. Dimensiones del Chas�s Mercedes Benz 1721

Fuente: AUTEC

El chas�s para autob�s de la marca Volkswagen tiene las caracter�sticas mostradas a continuaci�n.

 

Tabla 13. Dimensiones del Chas�s Volkswagen 17.210

Fuente: DINA

 

Con las dimensiones mostradas en las tablas anteriores se ha realizado el dimensionamiento.

Para la longitud de los largueros, se toma en cuenta que las carrocer�as que se montan sobre el chas�s son de entre 12 000 mm a 12 500 mm de longitud, por esa raz�n los largueros del bastidor son de 11 900 mm de longitud, como se muestra en la Figura 1.

 

Figura1. Larguero

Fuente: Autores.

 

La distancia entre ejes es de 6 000 mm, favoreciendo a que se pueda montar una carrocer�a con un mayor voladizo posterior que seg�n la norma NTE INEN 1323 debe ser el 66 % de la distancia entre ejes.

Para la separaci�n entre los largueros se debe tomar en cuenta que la distancia entre los mismos no tiene que superar los 900 mm, ya que si hay m�s separaci�n entre estos, no quedar�a espacio suficiente para la suspensi�n de ballestas debido a que el ancho de los paquetes de ballestas es de 90 mm y el ancho de cada neum�tico es de 295 mm.

Los travesa�os que se van unir a los largueros son ocho, y van distribuidos a lo largo del bastidor, la distancia entre travesa�os es variable y depende de los elementos que van a estar unidos a cada travesa�o. Como el dise�o es para un autob�s con motor delantero y tracci�n posterior, se tiene un espacio de 3 600mm en la parte delantera del bastidor.

 

Figura 2. Distribuci�n de travesa�os

Fuente: Autores

 

An�lisis de Cargas

En toda clase de veh�culos se tiene que considerar dos tipos de cargas que sumadas dan la carga a ser transportada. Estas cargas son la carga viva la cual est� conformada por el peso de los ocupantes y el equipaje; y la carga muerta la que consta del peso propio de la estructura y los elementos mec�nicos, el�ctricos y electr�nicos.

 

Tabla 14. Cargas vivas de dise�o

Fuente: NTE INEN 1323

 

Para el c�lculo de la carga viva se consideran los datos proporcionados por la Norma INEN 1323, la cual establece que para un autob�s de transporte urbano el peso por ocupante es de 70 kg, y se debe considerar tambi�n el peso del conductor y del ayudante. En el caso de autob�s urbano no se tiene bodegas, por lo que no se considera esta carga. El detalle de los pasajeros se muestra en la siguiente tabla.

 

Tabla 15. Carga de pasajeros y tripulantes

Fuente: Autores

 

Las cargas muertas son aquellas que van a estar permanentemente sobre la estructura del bastidor como son: la carrocer�a y los elementos del chas�s, en la siguiente tabla se muestra las cargas muertas de una carrocer�a de bus interprovincial.

 

RESULTADOS Y DISCUSI�N

1. C�lculos del bastidor y uniones empernadas

Como primer paso se calcula la masa de carga �til que va a soportar el chas�s sabiendo que la masa bruta vehicular es de 17 000 kg.

2. C�lculo de la masa �til del chas�s.

Masa m�xima carga �til = masa admisible sobre el eje � tara sobre el eje� ��� (1)

Eje delantero:

Eje posterior:

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1.                    Distribuci�n de pesos.

Eje Delantero:

La distribuci�n del peso sin carrocer�a para el eje delantero es mucho menor al del eje posterior y es el siguiente:

Con carrocer�a:

��� ������������������������������������������� ���(3)

Eje Posterior:

El peso correspondiente al eje posterior sin carrocer�a es el siguiente:

Con carrocer�a:

Para los c�lculos de carga del bastidor se utiliza el largo total del bastidor el cual se mencion� anteriormente y es el siguiente:

El peso que debe soportar el bastidor depende tanto de la carga �til que se requiere para el dise�o y del largo el cual se design� con anterioridad de la siguiente manera:

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Este peso de , es la carga distribuida m�xima sobre los largueros de la estructura del bastidor.

2.                    C�lculo de la uni�n empernada.� Es necesario realizar el c�lculo de la uni�n entre los soportes de ballestas y el larguero, para validar la misma. Para las uniones se utiliza el perno M16x40

 

Figura 4. Perno

Fuente: Autores.

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Carga m�xima eje delantero:

Para cada lado:

Como se tiene dos soportes de ballesta (manos) por lado entonces la fuerza ejercida es:

Como se tiene seis pernos en cada mano o soporte de ballestas, entonces se considera el� �rea nominal de cada perno que es de 157 mm².

Carga m�xima eje posterior:

Para cada lado:

Como se tiene dos manos por lado entonces la fuerza ejercida en cada una es de:

Como se tiene seis pernos en cada mano, cada uno tiene un �rea nominal de 157 mm².

 

C�lculo uni�n empernada manos eje delantero

Esfuerzo cortante = 14 715 N

����������������������������������������������������������������� (6)

Fv, Ed = Esfuerzo cortante que en este caso es de 14 715 N

Fv, Rd = Resistencia a cortante de la uni�n para el tipo de perno empleado

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Donde:

�rea resistente a tracci�n del perno = A_s= 157 mm²

Tensi�n �ltima a tracci�n del perno = f_ub = 329,8 N/mm²

N = n�mero de pernos de la uni�n

Coeficiente de minoraci�n del acero estructural para uniones = _Mb = 1,25

El esfuerzo cortante que act�a sobre la uni�n entre el perfil en U del larguero y el soporte de ballestas delantero es de 14 715 N que resulta inferior al valor de resistencia que tiene la uni�n:

Por lo tanto la uni�n empernada en el eje delantero es v�lida.

Es necesario realizar la comprobaci�n en la uni�n para que tampoco se produzca el aplastamiento de la pieza en la zona contigua al perno. La resistencia de aplastamiento de la pieza en la zona contigua al perno F_{b,Rd �}viene dada por la siguiente expresi�n (M�ndez Ernesto):

������������������������������������������������ (8)

Donde �es el di�metro y es igual a 16 mm, ��= 8 mm, espesor de la pieza donde se ha practicado el agujero para anclar los pernos y fu es la resistencia a tracci�n del acero de la pieza que en este caso es de acero ASTM A36 con resistencia �ltima a la tracci�n de fu = 400 MPa = 400 N/mm².

 es el menor valor de:

D�nde: YMb es el coeficiente de minoraci�n del acero estructural para uniones

 

CONCLUSIONES

Se concluy� que los materiales usados para estructuras de bastidores de veh�culos pesados deben ser aceros con un m�nimo de 200 MPa de l�mite de fluencia, ya que si tenemos materiales de menor resistencia, tendremos que usar perfiles con espesores muy grandes que har�n que la estructura del bastidor sea demasiado pesada.

El dise�o que se realiz� mediante las herramientas de software, permiti� modelar un bastidor para autob�s el cu�l ofrecer� un r�pido� ensamblaje de los elementos que conforman el chas�s y la facilidad de carrozado.

La verificaci�n del dise�o realizada por an�lisis est�tico en ANSYS mostr� una deflexi�n m�xima de 7 mm� y un coeficiente de seguridad m�nimo de 1,7 para bus urbano, mientras en el an�lisis para bus interprovincial se obtuvo un factor de seguridad de 1,5 y una deformaci�n m�xima de 8,37 mm.

En el estudio de factibilidad se pudo determinar que la construcci�n de los travesa�os del bastidor es viable, sin embargo para los largueros se necesita utilizar un perfil de doce metros lo cual a nivel nacional no se fabrica y debido a esto se utilizar�an dos perfiles de seis metros, mediante una junta soldada y empernada, la cual deber� ser analizada para determinar el proceso de soldadura a utilizar y si �sta junta va a soportar los esfuerzos producidos, debido que en veh�culos pesados no se usan juntas soldadas en los bastidores debido a las vibraciones producidas por el funcionamiento del veh�culo.

 

RECOMENDACIONES

Se recomienda implementar un laboratorio de computaci�n mejor equipado con software y hardware actualizado para cumplir con los requerimientos necesarios para un an�lisis din�mico del chas�s con el fin de tener una idea m�s precisa de c�mo va a ser el comportamiento del mismo.

Es importante tomar en cuenta todas las cargas ya sean puntuales o distribuidas dentro del an�lisis por MEF. Se debe tambi�n realizar una convergencia de resultados verificando la calidad de la malla y su resoluci�n.

Se recomienda realizar un estudio de la junta para realizar la uni�n de los perfiles en U de los largueros.

 

Referencias

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� 2023 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/).