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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL TICOMAN
SEMINARIO DE TITULACION:
“MODELADO, ANÁLISIS Y MANUFACTURA DE ELEMENTOS MECÁNICOS”
T E S I N A
“MODELADO Y ANÁLISIS DE UN RIN DE MOTOCICLETA
DUCATI MONSTER 696”
PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO EN AERONAUTICA
ASESORES:
ING. JUAN CARLOS TORRES AVILA
ING. FERNANDO VAZQUEZ PANIAGUA
PRESENTA:
BAUTISTA VARGAS MARIO DANIEL
CRUZ MARQUEZ CHRISTIAN ALEJANDRO
MEXICO D.F. OCTUBRE DE 2013
1
ÍNDICE
GLOSARIO DE ACRÓNIMOS 3
LISTA DE TABLAS Y FIGURAS 4
INTRODUCCIÓN 6
JUSTIFICACIÓN 8
ANTECEDENTES 9
OBJETIVO GENERAL 10
OBJETIVO ESPECÍFICO 11
ALCANCE 12
METODOLOGÍA 13
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO 14
1.1 Ruedas y Neumáticos 14
1.1.1 La Rueda 14
1.1.2 Rin 16
1.1.3. El Neumático
1.1.4 Tipos de neumáticos
17
19
2
CAPÍTULO II.- DISEÑO Y MODELADO 22
2.1 Uso del módulo “Mechanical Design” 24
2.2 Uso del módulo “Generative Shape Design” 25
2.3 Uso del módulo “Drafting” 27
CAPÍTULO III.- ANÁLISIS
3.1 Análisis por medio de elemento finito
3.1.1 Cálculo de la velocidad angular
30
30
34
CAPÍTULO IV.- RESULTADOS 37
CAPÍTULO V.- CONCLUSIONES 38
REFERENCIAS 39
ANEXOS 40
3
GLOSARIO DE ACRÓNIMOS
CAD ((Computer-aided design) Diseño asistido por computadora)
CAE ((Computer-aided Engineering) Ingeniería Asistida por Computadora)
CAM ((Computer-aided Manufacturing) Manufactura Asistida Por Computadora)
CATIA ((Computer-Aided Three Dimensional Interactive Application) Software de Diséño)
ANSYS (Software de análisis por medio de elemento finito)
aC (antes de Cristo)
ISO (International Standard Organization)
FDIS (Final Draft International Standard)
Fuerza (Definida en términos de la habilidad de un objeto de cambiar su estado de reposo o
trayectoria)
NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration)
4
LISTA DE FIGURAS
No. de figura Descripción Página
1 Antecedentes de las ruedas 17
2 Tipos de rines 18
3 Constitución interna del neumático 19
4 Diferencias entre los 2 tipos de neumáticos: Radiales y
diagonales
20
5 Clasificación de neumáticos por uso de cámara 21
6 Neumáticos que no usan aire 22
7 Asiento cilíndrico del neumático en el rin 24
8 Modelado del arillo del rin
26
9 Modelado del rayo del rin
26
10 Modelado de los rayos y masa.
27
11 Modelado del rin terminado y con material aplicado.
27
12 Vistas del rin 28
13 Hoja de diseño del rin 29
14 Detalle del rin 30
15 Rin modelado en CATIA
32
16 Interfaz de modulo Workbench Static Structural
32
17 Rin modelado exportado al programa de elemento finito
ANSYS workbench 33
18 Engineering Data de Workbench 33
19 Rin con malla refinada
34
20 Modelo restringido de los barrenos de los birlos 34
21 Aplicación de velocidad angular
35
5
22 Representación gráfica de los esfuerzos. 36
23 Representación gráfica de las deformaciones
36
24 Zonas donde se ve la deformación y esfuerzo máximos. 37
LISTA DE TABLAS
No. de figura Descripción Página
1 Dimensiones de los asientos cilíndricos de la llanta del rin
24
2 Código del diámetro nominal del rin 25
3 Propiedades mecánicas de la aleación AlSiMg 32
4 Esfuerzo máximo y deformación máxima. 37
6
INTRODUCCIÓN
En la actualidad el ser humano se ve envuelto en su vida diaria con tecnologías
inimaginables hace miles de años, esto ha sido posible gracias a que el ser humano hace
uso del conocimiento de la ciencia, la matemática y la experiencia apropiada para poder
encontrar y desarrollar las mejores soluciones a los problemas específicos en los que se
encuentren, esto es a partir de la creación de los modelos matemáticos apropiados de los
problemas que les permiten analizarlos rigurosamente y probar las soluciones potenciales y
lograr así conceptualizar el comportamiento real del funcionamiento del problema. Si existen
múltiples soluciones razonables, los ingenieros evalúan las diferentes opciones de diseño
sobre la base de sus cualidades y eligen la solución que mejor se adapta a las necesidades y
comportamiento del problema a analizar.
Los ingenieros han logrado desarrollar diseños y soluciones tecnológicas a las necesidades
sociales, industriales o económicas, para esto el ingeniero idealiza el modelo a partir de un
comportamiento ideal que es la aproximación a cómo debería de desempeñarse cierto
problema, y en base a sus conocimientos y experiencia desarrollará esta solución
apoyándose en la actualidad del CAD, CAE, CAM entre otras herramientas sumamente
importantes hoy en día, que ayudan en el desarrollo del producto a un nivel sumamente
importante para la evaluación y simulación del comportamiento de los diseños, siempre
mejorando lo existente e innovando día con día tomando en cuenta las limitaciones actuales
en cuanto a tecnología y costos, dependiendo de los factores que limiten el desarrollo de los
diseños.
Como bien es sabido estos diseños tienen que cumplir sus funciones para los que fueron
creados, para esto el ingeniero deberá tomar en cuenta todo lo que pueda afectar su diseño
y llevarlo más allá del desempeño esperado o de los mínimos requerimientos, para evitar
arriesgar la seguridad y asegurar la integridad de la sociedad que lo llegue a implementar.
7
Dicho esto, el ingeniero constantemente debe estar en busca del perfeccionamiento e
implementación de diseños para resolver problemas que afectan la vida diaria del ser
humano y mejorar su calidad de vida y desempeño.
En el primer capítulo se hablará un poco de la historia de la rueda hecha de piedra utilizada
en la antigüedad para la agricultura y transporte de productos agrícolas hasta su evolución
de lo que hoy conocemos como ruedas formados por un neumático y un rin.
El segundo capítulo haremos referencia al diseño mediante la ayuda de un software de
diseño: CAD (CATIA).
El tercer capítulo haremos referencia al análisis estructural para conocer las propiedades
actuales del rin y basados en esto, mejorar su desempeño, mediante la ayuda de un software
de análisis: CAE (ANSYS WORKBENCH).
8
JUSTIFICACIÓN
Con el desarrollo de esta tesina, se busca diseñar un rin de motocicleta DUCATI MONSTER,
mediante la implementación de herramientas computacionales en forma colectiva lo que es
CAD y CAE tomando en cuenta los diseños existentes.
A partir de este trabajo vamos a llegar a diseñar el rin de la moto a partir de la norma
ISO/FDIS 4249-3:2010(E) en lo que concierne al contorno del rin y para el interior del rin del
centro del balero al contorno se hará considerando el aspecto estético, nos apoyaremos en
un software de diseño para el modelado del rin y así mismo en base a los resultados de
análisis estructural a partir de un software de ayuda en el análisis estructural elegiremos la
mejor opción en cuanto a relación de ancho y diámetro, sin implementar pruebas físicas de
resistencia o dureza que demuestren los resultados obtenidos en el software de análisis.
La solución de este problema, surge a partir de la necesidad de implementar nuevas
alternativas y soluciones para el diseño de un rin de motocicleta, pudiendo lograr hacer
eficientes los diseños e innovar para el desempeño del rin.
9
ANTECEDENTES
Hasta la fecha, no se encuentra suficiente información de diseños de rines de motocicletas
con anterioridad, ya que la mayor parte de investigaciones realizadas se han suscitado en la
industria automotriz donde se cuentan con antecedentes de diseño y comportamiento tanto
en llantas como en rines, mediante esta premisa nos auxiliaremos de la información
disponible para automóviles, pero de igual manera tomaremos referencia en cuanto a los
estándares internacionales en el diseño de rines de motocicleta que son los siguientes:
ISO 5751-1:2010(E) Motorcycle tyres and rims (metric series) Part1 Design guides
FINAL DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/FDIS 4249-3:2010(E) Motorcycle tyres and
rims (code-designated series) Part 3: Rims
10
OBJETIVO GENERAL
Implementar las habilidades y el conocimiento de ingeniería, en el desarrollo del diseño de un
problema, mediante el uso de herramientas como lo es el CAD del cual utilizaremos el
software CATIA, y también se analizara el comportamiento del diseño con el apoyo de la
herramienta CAE haciendo uso del software ANSYS. Con el uso de estas herramientas y el
conocimiento adquirido, interpretaremos los resultados para poder implementar alguna
mejora y lograr entender los comportamientos que se presentan en los fenómenos,
obteniendo así la aplicación de lo que conocemos como diseño.
11
OBJETIVO ESPECÍFICO
Dar un breviario cultural acerca de la historia de la rueda desde el inicio de la civilización, así
como su evolución convirtiéndose en rin y neumático, los cuales conocemos actualmente.
Con el diseño se busca mejora las propiedades del rin existente para la moto Ducati Monster
696 mediante el modelado asistido por computadora, con el cual se cumplirá el área de
CAD,
Una vez que se tenga el diseño modelado se analizara para poder determinar si se mejoran
sus propiedades estructurales.
12
ALCANCE
Este trabajo está elaborado para poder proporcionar un estudio del rin de motocicleta puesto
que hoy en día existe poca información acerca del diseño de rines de motocicleta; se desea
implementar el diseño de este, para que este diseño sea tomado de referencia en elfuturo y
ser implementado en la manufactura y pruebas físicas, para así comparar y avalar comprobar
resultados.
13
METODOLOGÍA
Recopilación de información acerca de diseño de rines
Búsqueda de información acerca de características y especificaciones del rin de la
motocicleta Ducati Monster 696.
Análisis dimensional de acuerdo a normatividad vigente
Modelado del diseño preliminar en 3D con ayuda del software de CAD CATIA.
Selección de material de acuerdo a los utilizados por la industria manufacturera.
Análisis del modelo por medio del elemento finito mediante la ayuda de ANSYS,
aplicando velocidades y restringiendo movimientos.
Evaluación de resultados obtenidos del análisis.
Conclusiones
14
CAPÍTULO I.-MARCO TÉORICO
1.1 Ruedas y Neumáticos
1.1.1 La rueda
La rueda es una pieza mecánica circular que gira alrededor de un eje. Puede ser
considerada una máquina simple, y forma parte del conjunto denominado elementos de
máquinas.
Una rueda es un componente circular que está destinado a girar en un cojinete axial. La
rueda es una de las seis máquinas simples. Ruedas en conjunto con ejes, permiten mover
objetos pesados fácilmente, facilitan el movimiento o transporte, mientras que soportan una
carga, o la realización de trabajo en las máquinas.
Los ejemplos más comunes se encuentran en aplicaciones de transporte. Una rueda reduce
enormemente la fricción, facilitando el movimiento por laminación junto con el uso de ejes. A
fin de que las ruedas giren, necesita ser aplicada a la rueda alrededor de su eje, ya sea por
medio de la gravedad o la aplicación de otra fuerza o par de torsión externa.
Es uno de los inventos fundamentales en la Historia de la humanidad, por su gran utilidad en
la elaboración de alfarería, en el transporte terrestre, y como componente fundamental de
diversas máquinas. El conocimiento de su origen se pierde en el tiempo, y sus múltiples usos
han sido esenciales en el desarrollo del progreso humano.
Teniendo en cuenta que las ruedas juegan un papel importante en las motocicletas, daremos
a conocer la historia remontándonos a los tiempos más antiguos.
Por cientos de miles de años el hombre vivió sin utilizar ningún medio de transporte en
particular; cuando tuvo que mover un objeto, simplemente lo levantó y traslado, si era lo
suficientemente fuerte. Si el objeto era demasiado pesado, se las arregló para arrastrarlo. Es
probable que de vez en cuando deslizara ramas u otros objetos redondos debajo de la carga
para reducir la fricción, pero no hay evidencia que respalde esta práctica.
15
Con la revolución neolítica la necesidad de transporte en gran medida aumentó al mismo
tiempo que la práctica de la domesticación de animales abrió nuevas perspectivas.
El desarrollo de la agricultura creo la necesidad de transportar semillas para el campo y
cultivos de vuelta a la granja. El número de objetos que se consideraban importantes y
necesarios que los hombres llevaran con ellos aumentó como consecuencia de las nuevas
exigencias de la vida del pueblo.
Es un hecho que los trineos fueron utilizados en el norte de Europa antes de 5000 aC. y su
uso en otros lugares en ese momento se puede deducir.
Alrededor de 3500 aC, en el torno de un alfarero se introdujo la rueda, con el fin de producir
macetas con simetría axial. El uso de la rueda del alfarero se puede deducir de las marcas
dejadas en macetas hechas con ella. La rueda de apoyo para los vehículos se cree que se
originó aproximadamente al mismo tiempo.
La más antigua evidencia de un vehículo de ruedas es un pictograma en una tableta del
templo de Inanna en Erech, Mesopotamia. Este documento se remonta un poco después del
año 3500 aC, e incluye un pequeño dibujo de un carro con cuatro ruedas, junto con un
boceto de un trineo (Figura1).
El vehículo que se muestra en la Figura 1, tiene ciertos rasgos característicos: de todos los
vehículos para más de un millar de años: Las ruedas son discos hechos de tres tablones de
madera, con los animales enlazados a un eje central. Esta uniformidad de la rueda, tipos y
sistemas de conducción, especialmente en comparación con la gran variedad de estructuras
de vehículos, ha dado lugar a la opinión de que la rueda se inventó, o mejor, su desarrolló,
en un lugar específico y luego comenzó una lenta difusión en todo el mundo antiguo. En
varios lugares donde se presentó el nuevo vehículo, el actual tipo de trineo se adaptó a él
mediante las ruedas y el arnés estándar.
16
FIGURA 1. (a) Pictograma en una tablilla del templo de Inanna en Erech, Mesopotamia. El
documento se remonta a poco después de 3500 aC, e incluye un pequeño boceto de un
carro con cuatro ruedas, junto con la de un trineo. (b) Cobre modelo de un carro de guerra,
impulsado por cuatro onagros, que se encuentra en la tumba de Tell Agrab, desde el tercer
milenio aC.
Las ruedas actuales son mejor conocidos como rines y hay de diversas formas y materiales.
1.1.2 Rin
Parte de una rueda en la que va encajado el neumático y que suele constar de un aro y un
disco central que conecta la llanta con el coche. Los rines pueden fabricarse en acero
estampado o en aleación ligera. Las designaciones de los rines se rigen por normas
internacionales, como las normas DIN. La primera cifra indica la anchura del rin y la última el
diámetro (medidas en pulgadas). La letra que va detrás de la primera cifra (en los turismos
generalmente una J) indica las dimensiones y forma de la brida del rin. Por ejemplo, 4J x 14
indica una llanta con garganta de 4 pulgadas de anchura, una brida de 14 pulgadas de
diámetro. Los rines de aleación ligera, que se compran con frecuencia por razones de
estética, presentan además una serie de ventajas que tienen un efecto positivo sobre el
comportamiento general de vehículo en la carretera: pesan menos que una similar de acero,
lo que significa que es preciso desplazar masas menores cuando la suspensión se comprime
y se dilata, factor que tiene un efecto positivo sobre el confort en la conducción, ya que la
carrocería está sujeta a fuerzas más pequeñas causadas por las irregularidades de la
17
superficie de la carretera. La rigidez de su estructura metálica permite que soporten
esfuerzos más duros. La adherencia de las ruedas también mejora, ya que con los rines de
aleación, la suspensión mantiene menos carga sobre la superficie de la carretera. Además, si
el diseño de los radios es el adecuado, se puede conseguir un efecto de ventilación superior
para ayudar a refrigerar los frenos.
Figura 2. Existen diversos tipos de rines desde los primeros que eran hechos por un aro de
acero y unido a un eje por medio de rayos hasta los que han sido personalizados para darles
mejor vista y acabado.
1.1.3 El neumático
Un neumático (del griego πνευματικός, „relativo al pulmón‟, por el aire que lleva), también
denominado cubierta o llanta en algunas regiones, es una pieza toroidal de caucho que se
coloca en las ruedas de diversos vehículos y máquinas. Su función principal es permitir un
contacto adecuado por adherencia y fricción con el pavimento, posibilitando el arranque, el
frenado y la guía.
Los neumáticos generalmente tienen hilos que los refuerzan. Dependiendo de la orientación
de estos hilos, se clasifican en diagonales o radiales. Los de tipo radial son el estándar para
casi todos los automóviles modernos.
18
Figura 3. Constitución interna del neumático.
En 1888, el veterinario e inventor escocés, John Boyd Dunlop, desarrolló el primer neumático
con cámara de aire para el triciclo que su hijo de nueve años de edad usaba para ir a la
escuela por las calles bacheadas de Belfast. Para resolver el problema del traqueteo, Dunlop
infló unos tubos de goma con una bomba de aire para inflar balones. Después envolvió los
tubos de goma con una lona para protegerlos y los pegó sobre las llantas de las ruedas del
triciclo. Hasta entonces, la mayoría de las ruedas tenían llantas con goma maciza, pero los
neumáticos permitían una marcha notablemente más suave. Desarrolló la idea y patentó el
neumático con cámara el 7 de diciembre de 1889. Sin embargo, dos años después de que le
concedieran la patente, Dunlop fue informado oficialmente de que la patente fue invalidada
por el inventor escocés Robert William Thomson, quien había patentado la idea en Francia
en 1847 y en Estados Unidos en 1891. Dunlop ganó una batalla legal contra Robert William
Thomson y revalidó su patente.
El desarrolló del neumático con cámara de Dunlop llegó en un momento crucial durante la
expansión del transporte terrestre, con la construcción de nuevas bicicletas y automóviles.
19
1.1.4 Tipos de neumáticos
Por su construcción existen tres tipos de neumáticos:
Diagonales: en su construcción, las distintas capas de material se colocan de forma diagonal,
unas sobre otras.
Radiales o con radios: en esta construcción las capas de material se colocan unas sobre
otras en línea recta, sin sesgo. Este sistema permite dotar de mayor estabilidad y resistencia
a la cubierta.
Autoportante: en esta construcción las capas de material se colocan unas sobre otras en
línea recta, sin sesgo, también en los flancos. Este sistema permite dotar de mayor
resistencia a la cubierta aunque es menos confortable por ser más rígida, se usa en
vehículos deportivos y tiene la ventaja de poder rodar sin presión de aire a una velocidad
limitada, sin perder su forma.
Figura 4. Diferencial entre los 2 tipos de neumáticos: Radiales y diagonales.
20
Según su uso de cámara tenemos:
Neumáticos tubetype (TL) (con cámara): aquellos que usan cámara y una llanta específica
para ello. No pueden montarse sin cámara. Se usan en algunos 4x4, y vehículos agrícolas.
Neumáticos tubeless (sin cámara): estos neumáticos no emplean cámara. Para evitar la
pérdida de aire tienen una parte en el interior del neumático llamada talón el cual, tiene unos
aros de acero en su interior, para evitan que se salga del rin. El rin debe ser específico para
este tipo de neumáticos. Se emplea prácticamente en todos los vehículos.
Figura 5. Tambien se pueden clasificar por el uso de cámara. (a)Se muestran las
características de cada tipo y en la figura b se expone el funcionamiento de cada una de
ellas.
21
Figura 6. Algunos ejemplo de neumáticos que no utilizan aire, estos son desarrollados por
Michelin, Pirelli entre otra.
Los materiales de los neumáticos modernos son de caucho sintético, caucho natural, tela y
alambre, junto con compuestos químicos; negro de humo y otros. Se componen de una
banda de rodadura y un cuerpo. La banda de rodadura proporciona una tracción mientras
que el cuerpo prevé la contención de una cantidad de aire comprimido. Antes del desarrollo
de caucho, las primeras versiones de los neumáticos eran simplemente bandas de metal que
se coloca alrededor ruedas de madera para evitar el desgaste. Los primeros neumáticos eran
sólidos (sin aire). Hoy en día, la mayoría de los neumáticos son conformados por estructuras
hinchables, que comprende un cuerpo en forma de anillo con cables y alambres embebidas
en caucho y generalmente llena de aire comprimido para formar un cojín inflable. Los
neumáticos se utilizan en muchos tipos de vehículos, incluyendo automóviles, bicicletas,
motocicletas, camiones, excavadoras y aviones. Las llantas de metal todavía se usan en las
locomotoras y vagones, y caucho sólido (u otro polímero), los neumáticos siguen siendo
utilizados en varias aplicaciones no automotrices, como algunas ruedas, carritos, cortadoras
de césped y carretillas.
22
CAPÍTULO II.- DISEÑO Y MODELADO
El diseño de ingeniería, comprende las actividades de diseño, invención y creatividad entre
muchas otra.
La palabra “diseño” se deriva del latín designare, que significa “diseñar” o “marcar” . De
acuerdo al diccionario Webster proporciona múltiples definiciones, la más adecuada para
nuestra área de estudio e investigación es la siguiente: “bosquejar, graficar o planificar, como
acción o trabajo… concebir, inventar-idear”. El diseño de ingeniería se ha definido como “el
proceso de aplicar las diversas técnicas y principios científicos con el propósito de definir un
dispositivo, un proceso o un sistema con suficientes detalles que permitan su realización.
El diseño puede ser simple o muy complejo, fácil o difícil, matemático o no matemático;
puede implicar un problema trivial o uno de gran importancia”. El diseño es un constituyente
universal de la práctica de ingeniería. No obstante, la complejidad de la materia por lo
general requiere que el estudiante así como el ingeniero en práctica disponga de un conjunto
de problemas estructurados; paso a paso ideados para esclarecer un concepto o conceptos
particulares relacionados con el tema en particular.
El ingeniero de diseño, en la práctica, sin importar la disciplina, continuamente enfrenta el
reto de estructurar problemas no estructurados.
23
Las siguientes figuras y tablas fueron consideradas para el diseño del rin mencionado.
Figura 7.- Asiento cilíndrico del neumático en el rin.- De acuerdo a la ISO/FDIS 4249-
3:2010(E) este es un tipo de asiento que se utiliza actualmente en el diseño de rines de
motocicletas.
Tabla 1 Dimensiones de los asientos cilíndricos de la llanta del rin de acuerdo a la ISO/FDIS
4249-3:2010(E).
24
Tabla 2 Códigos del diámetro nominal del rin de una motocicleta de acuerdo a la ISO/FDIS
4249-3:2010(E).
El rin frontal de la motocicleta monster 696 modelo 2010 fue diseñando a partir del diámetro
inicial del fabricante que es 17” = 431.8 mm y de ancho de la llanta (width) 3.5”=88.9mm así
mismo se fueron tomando las medidas en cuanto a la norma la ISO/FDIS 4249-3:2010(E)
para el asiento del rin.
Cabe mencionar que en este modelado se ocuparon los módulos “Mechanical Design” , “Part
Design”, para crear el rin en lo que concierne a la sección transversal de este, o bien lo que
tiene por nombre: asiento del rin y su contorno; para este diseño se tomó en cuenta la tabla 1
del asiento cilíndrico así como la (fig7), se utilizo el modulo “Generative Shape Design” para
el diseño de los brazos ya que es una geometría con un tipo de perfil, el cual se diseño de
acuerdo a la estética de la motocicleta, procediendo a analizarlo para evaluar su desempeño
y por último se utilizó el modulo de “Drafting” para generar los planos del rin.
2.1 Uso del módulo “Mechanical Design”
Este modulo fue de gran utilidad para obtener el contorno del rin, procediendo a sacar las
superficies en las caras del asiento y continuar con el módulo de “Generative Shape Design”
tomándolo de referencia para la creación de los brazos del rin.
25
Figura 8.modelado del arillo del rin
2.2 Uso del módulo “Generative Shape Design”
Este modulo nos ayuda a generar las superficies alrededor del perfil de los brazos para
proceder a cerrar la superficie y crear así el sólido para posteriormente juntar todos los
sólidos mediante operaciones booleanas.
Figura 9. Modelado del rayo del rin
26
En la siguiente figura se puede observar el uso del modulo de “Geometrical Shape Design” y
“Part Design” para obtener geometrias complejas y ensamblar otras geometrias variables.
Figura 10. Modelado del rayos y maza.
Finalmente, obtenemos el rin completo mediante las operaciones booleanas y aplicandole
propiedades de material del aluminio con los parametros definidos por CATIA, que
posteriormente se cambiará en ANSYS para su correcto análisis.
Figura 11. Modelado del rin terminado y con material aplicado.
27
2.3 Uso del módulo de “Drafting”
Útil para generar los respectivos planos del rin. Como se puede observar en los siguientes
planos se respetaron las medidas sugeridas por la ISO a excepción del diámetro del rin que
es propuesto por el fabricante.
Figura 12. Vistas del rin.
30
CAPÍTULO III.- ANÁLISIS
3.1 Por medio de elemento finito
Todo rin automotriz, sea de acero o de aleación, tiene parámetros de resistencia debido a las cargas que soporta. Éste tiene que absorber fuerzas verticales, laterales y longitudinales, trasmitiéndolas al cubo de rueda a través de los birlos de apriete, por lo que juega un papel fundamental en la seguridad del usuario. En el análisis experimental se utiliza la aleación AlSi7Mg, la cual es obtenida mediante un proceso de fundición y generalmente está acompañada de un tratamiento térmico para adquirir propiedades específicas. Las principales aplicaciones de esta aleación son: rines, carcazas de bombas y de transmisiones, bloques cilíndricos de enfriamiento por agua, instalaciones de energía nuclear entre otras, donde se requieran buenas características de fundición, soldabilidad, alta resistencia a la corrosión y al esfuerzo [1]. Las propiedades mecánicas de la aleación AlSi7Mg se presentan en la Tabla 1, y la curva de fatiga en la figura 2. Tabla 3. Propiedades Mecánicas de la aleación AlSi7Mg.
Propiedad Valor Unidad
Modulo de Young 72.5 GPa
Relación de Poisson 0.33 -------
Esfuerzo de cedencia 190 MPa
Resistencia a la ultima tensión 240 MPa
Densidad 2686 KG/m3
El análisis numérico se realizo gracias al modelado del rin en CATIA V5R21 y ANSYS
Workbench 14.0.
31
Figura15. Rin modelado en CATIA.
Después de tener modelado el rin de la motocicleta Ducati Monster 696 se exporta a ANSYS
Workbench en el cual nos muestra una ventana como la siguiente:
Figura 16.Interfaz del módulo de Workbench (Module Static Structural).
32
Una vez teniendo la geometría en Workbench (Figura 17), se agregan las propiedades del
material en la opción de Engineering Data, Figura18.
Figura 17. Rin modelado exportado al programa de elemento finito ANSYS workbench.
Figura18. Interfaz del Modulo Workbench Static Structural.
33
A continuación se malla el rin para poder realizar el análisis, quedando 23926 Nodos y 13342
elementos, Figura 19.
Figura 19. Rin con malla refinada.
Después de mallarlo se pasa a realizar la restricción de grados de libertad, los cuales se
harán en los barrenos de los birlos.
Figura 20. Modelo restringido de los orificios de los birlos.
34
Para el análisis se aplicará una velocidad angular y una presión de 20 psi (Figura 21), ya que
será un análisis estático solo se tomara en cuenta la presión ejercida por el neumático y el
aire, así como la velocidad angular a la que gira cuando corre la motocicleta a 200 Km/h.
3.1.1 Cálculo de la velocidad angular
Suponiendo que la motocicleta circula a 200 km/h
200 Km/h=55.55m/s
Radio del rin =21.59 cm
P=2rπ=1.3565m
# Vueltas=d/P=15.91
V (rad/s)=2π*# Vueltas= 99.96rad/s≈100 rad/s
Figura 21.Superficies en las que se aplica la presión.
35
Figura 21. Aplicación de velocidad angular.
Los esfuerzos y deformaciones primeramente se calculan por ANSYS, donde se utiliza la teoría de Von Mises. Los resultados obtenidos arrojaron un esfuerzo máximo de 2.5853 MPa. además de permitir apreciar las zonas más débiles de la estructura, como se muestra en la figura 22.
Figura 22.Representación gráfica de los esfuerzos.
36
Por otra parte, el desplazamiento máximo presentado por ANSYS, es de 0.0099 mm (figura 22). En esta figura 23, se observa a la zona de mayor desplazamiento del material, se encuentra en el lado opuesto a la zona donde el rin está sujeto a mayor esfuerzo. Los desplazamientos que se presentan en el área donde se encuentran los esfuerzos máximos son de alrededor de 0.0032 mm. (Figura 23).
Figura 23. Representación gráfica de las deformaciones
Tabla 3. Esfuerzo máximo y deformación máxima.
ESFUERZO DEFORMACIÓN
Esfuerzo Máximo 2.58106 Pa 0.0032 mm
Deformación Máxima 220.52 Pa 0.0099 mm
37
CAPÍTULO IV.- RESULTADOS
Después del análisis, podemos demostrar que nuestro diseño del rin se encuentra dentro de
los límites aceptables de acuerdo con la resistencia del material. Para el análisis estático que
se realizó, en el cual, solo se aplicó la presión ejercida por el aire dentro del neumático y la
velocidad angular.
Se deja, para futuros ingenieros el análisis dinámico, numérico y experimental de este rin y
comprobar los resultados obtenidos ya que no se cuenta con información para poder llevar a
cabo la validación del análisis.
Figura 24. Zonas donde se ve la deformación máxima y esfuerzo máxima.
38
CAPÍTULO V.-CONCLUSIONES
Como se puede observar se desarrolló la solución al problema del diseño del rin de una
motocicleta, en nuestro caso particular el de una motocicleta Monster 696 modelo 2010, para
el rin frontal, mediante el uso de normas regidas por la ISO haciendo referencia a los rines de
motocicleta; se puede observar la resistencia estructural del rin, que presenta al aplicarle
diferentes cargas en modo estático.
Así mismo se puede comprobar la utilidad del uso de herramientas digitales de diseño y
análisis, que en este caso particular fueron: CATIA para el diseño de 3D y 2D, y ANSYS para
el análisis estructural mediante el elemento finito; estas herramientas presentadas en este
trabajo son actualmente consideradas, de vital importancia en los diseños actuales de
diversas industrias como la: aeroespacial, automotriz, eléctrica, por mencionar solo algunas.
39
REFERENCIAS
Motorcycle Handling and Chassis Design the art and science, Tony Foale 2a edicion
The Automotive Chassis Volume 1: Components Design, Giancarlo Genta , Lorenzo Morello;
Ed Springer
Motorcycle Design and Technology Handbook Gaetano-Coccoe
Manual de uso y mantenimiento Monster 696 2010
Requirements for Motorcycle Manufacturers NHTSA
Análisis numérico experimental de un rin de aleación AlSi7Mg
THE STABILITY AND CONTROL OF MOTORCYCLES
[1] Kwai S. Chan, Peggy Jones, Qlgui Wang , «Fatigue crack growth and fracture paths in sand cast B319 and A356 aluminum alloys». Materials Science and Engineering A341 (2003) 18-34.
40
ANEXOS
NHTSA http://www.nhtsa.gov/Laws+&+Regulations/Manufacturer+Info/Requirements+for+Motorcycle+Manufacturers
ISO
http://www.us-tra.org/documents/SC10N369_Forinfo_FDIS42493_Form_13_RoV_COM.pdf
http://www.usra.org/documents/SC10N371_Forinfo_NewISO57511_Form_13_RoV_COM.pdf