INGENIERIA EN MECANICA · 2023
Desarrollo del sistema de suspensión delantero para un prototipo de vehículo eléctrico
El presente trabajo consiste en la implementación de un sistema de suspensión delantero independiente de paralelogramos superpuestos deformable de 5 enlaces para el prototipo de vehículo eléctrico construido en la Universidad del Valle. Se muestra el procedimiento a partir del cual se obtienen los parámetros, especificaciones, dimensiones y formas de los componentes, de tal manera que cumpla con las características que debe tener la suspensión para satisfacer las prestaciones deseadas, tales como una sensación de marcha cómoda y un manejo confiable
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Contenido
- RESUMENp. 4
- AGRADECIMIENTOSp. 5
- LISTA DE FIGURASp. 8
- LISTA DE TABLASp. 10
- CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓNp. 11
- 1.1. Introducciónp. 11
- 1.2. Formulación del problemap. 13
- 1.2.1. Árbol del Problemap. 16
- 1.3. Objetivosp. 16
- 1.3.1 Árbol de objetivosp. 16
- 1.3.2. Objetivo generalp. 17
- 1.3.3. Objetivos específicosp. 17
- 1.4. Metodologíap. 18
- 1.5. Marco conceptualp. 20
- 1.6. Estado del artep. 31
- CAPÍTULO 2: DISEÑO Y MODELADO EN CADp. 34
- 2.1. Parámetros establecidos para el diseño del prototipo de vehículo eléctricop. 34
- 2.2. Parámetros establecidos para el diseño del sistema de suspensiónp. 37
- 2.3. Cinemática y geometría de la suspensiónp. 39
- 2.3.1. Movilidad del sistema de suspensiónp. 39
- 2.3.2. Geometría de la suspensiónp. 40
- 2.3.3. Eje de dirección y scrub radiusp. 41
- 2.3.4. Casterp. 39
- 2.3.5. Camberp. 39
- 2.3.6. Angulo de convergenciap. 43
- 2.4. Diseño detalladop. 43
- 2.4.1. Centro instantáneo y centro de balanceop. 45
- 2.4.2. Bump steerp. 45
- 2.4.3. Condición de Ackermann y ángulos de girop. 46
- 2.4.4. Trayectoria del eje de direcciónp. 47
- CAPÍTULO 3: EVALUACIÓN DE RESISTENCIAp. 50
- 3.1. Componentes de la suspensiónp. 50
- 3.2. Propiedades de los materiales evaluadosp. 50
- 3.3 Suposiciones generalesp. 51
- 3.3.1. Procedimiento general desarrolladop. 53
- 3.4. Caso 1: vehículo en condición estáticap. 51
- 3.5. Caso 2: Vehículo en ascenso y descenso de una pendientep. 59
- 3.6. Caso 3: Vehículo en una curvap. 68
- 3.7. Caso 4: vehículo atravesando un bachep. 73
- 3.8. Evaluación del resortep. 76
- 3.8.1. Carga estáticap. 79
- 3.8.2. Cargas dinámicasp. 80
- 3.9. Propuesta del sistema resorte - amortiguadorp. 83
- 3.10. Evaluación de los enlaces a fatigap. 89
- 3.11. Evaluación de la soldadura de los enlacesp. 95
- CAPÍTULO 4: CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓNp. 99
- 4.1. Proceso de soldadura de los enlacesp. 99
- 4.1.1. Alistamientop. 99
- 4.1.2. Tipo de soldadura y aplicaciónp. 99
- 4.1.3. Aplicación de pintura para la protección de la superficiep. 100
- 4.2. Ensamble del sistema de suspensión en el prototipop. 100
- 4.3. Puesta a punto del sistema de suspensiónp. 103
- CAPÍTULO 5: CONCLUSIONESp. 106
- CAPÍTULO 6: OBSERVACIONES PARA TRABAJOS FUTUROSp. 107
- BIBLIOGRAFÍAp. 108
- ANEXOSp. 110
- A.2. Planos de diseño – modelo CADp. 111
- FIG. 2 A) SISTEMA DE SUSPENSIÓN MULTI-LINK. B) DIAGRAMA CINEMÁTICO. [5]p. 13
- FIG. 3 SUSPENSIÓN MCPHERSON TIPO DOBLE HORQUILLAp. 14
- FIG. 4 SUSPENSIÓN MCPHERSON TIPO PUNTALp. 14
- FIG. 5 SUSPENSIÓN 5 SS - HYUNDAI GÉNESIS [11]p. 15
- FIG. 6. ÁRBOL DEL PROBLEMAp. 16
- FIG. 7 ÁRBOL DE OBJETIVOSp. 17
- FIG. 8 OSCILACIONES COMUNES EN UN VEHÍCULO [13]p. 22
- FIG. 9 EJEMPLO DE SUSPENSIÓN DE EJE SÓLIDO, SUSPENSIÓN DE DION DE UN MERCEDES W125 [14]p. 23
- FIG. 10 EJEMPLO DE SISTEMA DE SUSPENSIÓN INDEPENDIENTE, SUSPENSIÓN DE DOBLE HORQUILLA [14]p. 24
- FIG. 11 CONVENCIÓN DE SIGNOS SEGÚN LA ISO 8855 [19]p. 26
- HYUNDAI GENESIS [15]. 26 FIG. 13. ÁNGULO CAMBER [12]p. 27
- FIG. 14. ÁNGULO DE CONVERGENCIA [12]p. 27
- FIG. 15. ANGULO CASTER Y RECORRIDO DE SUSPENSIÓN [12]p. 28
- FIG. 16. ÁNGULO DE KINGPIN Y SCRUB RADIUS [12]p. 28
- FIG. 17, CONDICIÓN DE ACKERMANN [20]p. 29
- FIG. 19. DISTRIBUCIÓN DE CARGAS, VISTA TRASERA [21]p. 30
- FIG. 20. VEHÍCULO PLATAFORMA UTILIZADOp. 34
- FIG. 21. MAQUETA DEL PROTOTIPO DE VEHÍCULO ELÉCTRICOp. 35
- FIG. 22. ANÁLISIS VISUAL DEL AUMENTO DE LLANTASp. 35
- FIG. 23. DISEÑO DEL CHASIS DEL PROTOTIPOp. 36
- FIG. 24. DISEÑO DE LA CARROCERÍA REALIZADO EN CAD A PARTIR DE LA MAQUETAp. 36
- FIG. 25. MEDIDAS OBTENIDAS DE LA MAQUETAp. 37
- CADp. 37
- FIG. 27. REPRESENTACIÓN ESPACIAL DE LA GEOMETRÍA DE LA SUSPENSIÓNp. 40
- FIG. 28 VISTA FRONTAL ENLACES RUEDA DELANTERA DERECHA – EJE DE DIRECCIÓN Y RADIO DE FRICCIÓNp. 41
- FIG. 29. CASTER Y RECORRIDO DE LA SUSPENSIÓNp. 42
- FIG. 30. ANGULO DE CAMBER (VISTA FRONTAL DEL VEHÍCULO)p. 42
- FIG. 31. ÁNGULO DE CONVERGENCIA (VISTA SUPERIOR DEL VEHÍCULO)p. 43
- FIG. 32. CONFIGURACIÓN ENLACESp. 44
- FIG. 33. DISEÑO DE LA SUSPENSIÓN Y SU INTERACCIÓN CON EL CHASISp. 44
- FIG. 34. CENTRO INSTANTÁNEO Y CENTRO DE BALANCEOp. 45
- FIG. 35 GEOMETRÍA NECESARIA PARA OBTENER CERO “BUMP STEER”p. 46
- FIG. 36. CONDICIÓN DE ACKERMANN DEL VEHÍCULOp. 46
- FIG. 37. ÁNGULOS DE GIRO MÁXIMOS DE LA LLANTAp. 47
- FIG. 38. TRAYECTORIA DEL EJE DE DIRECCIÓN – RUEDA DELANTERA LADO DERECHOp. 47
- FIG. 39. RECORRIDO DE LA INTERSECCIÓN DEL EJE DE DIRECCIÓN CON EL SUELOp. 48
- FIG. 40. ESQUEMA DE LOS COMPONENTES DE LA SUSPENSIÓNp. 50
- FIG. 41. CURVA DE RENDIMIENTO MOTOR ELÉCTRICO DE REFERENCIA [25]p. 52
- FIG. 42. CENTRO DE GRAVEDAD DEL VEHÍCULOp. 53
- COMPONENTES DE LA SUSPENSIÓNp. 50
- FIG. 44. DCL CONDICIÓN ESTÁTICAp. 55
- FIG. 45 – DCL EN LA RUEDA – CONDICIÓN ESTÁTICAp. 56
- FIG. 46 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE LA SUSPENSIÓN DELANTERA DERECHA, CASO 1p. 57
- FIG. 47 – DCL VEHÍCULO EN GENERAL – CASO 2, ASCENSOp. 59
- FIG. 48. DCL RUEDA DELANTERA EN ASCENSOp. 61
- FIG. 49. DCL DE LA SUSPENSIÓNp. 62
- FIG. 50 DCL VEHÍCULO EN GENERAL – CASO 2, DESCENSOp. 64
- FIG. 51 – DCL DE LA RUEDA EN DESCENSOp. 65
- FIG. 52 DCL SUSPENSIÓN – CASO 2p. 66
- FIG. 53 GIRO REALIZADO POR EL VEHÍCULOp. 68
- FIG. 54 DCL DEL VEHÍCULO EN UNA CURVA. A) VISTA FRONTAL. B) VISTA LATERAL DERECHAp. 69
- FIG. 55 DCL DE LA RUEDA EN UNA CURVA - CASO 3p. 70
- FIG. 56 DCL SUSPENSIÓN - CASO 3p. 71
- FIG. 57 SUSPENSIÓN DELANTERA ATRAVESANDO UN BACHE. A) VISTA FRONTAL. B) VISTA ISOMÉTRICAp. 73
- FIG. 58 DCL DE LA SUSPENSIÓN ATRAVESANDO UN BACHEp. 74
- FIG. 60 ESFUERZO DE TORSIÓN SECCIÓN TRANSVERSAL RESORTE [28]p. 78
- FIG. 61. MATERIALES COMUNES PARA ALAMBRES DE RESORTES [28]p. 79
- FIG. 62 - COEFICIENTES Y EXPONENTES PARA EL CÁLCULO DE 𝑆𝑢𝑡 [28]p. 79
- FIG. 63 – FACTORES PARA LA OBTENCIÓN DE LA RESISTENCIA MÁXIMA A LA FLUENCIA POR TORSIÓN [28]p. 80
- FIG. 64 SUSPENSIÓN LINEAL CON BASE EXCITADA [20]p. 83
- FIG. 65 ENTRADA DE IMPACTO DE SENO CUADRADO [20]p. 84
- FIG. 66 TIEMPOS DE RESPUESTA DEL SISTEMA MASA-RESORTE-AMORTIGUADOR PARA DIFERENTES Ξ [20]p. 85
- FIG. 67 DIAGRAMA DE BLOQUES IMPLEMENTADO EN SIMULINKp. 86
- FIG. 68 RESPUESTA EN EL TIEMPO DEL SISTEMA CON RESORTE PROPUESTOp. 87
- FIG. 69 ACELERACIÓN DE LA MASA CON RESORTE PROPUESTOp. 87
- FIG. 70 RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL SISTEMA CON RESORTE PROPUESTOp. 87
- FIG. 71 FACTOR DE TAMAÑO [28]p. 90
- FIG. 72 FACTOR DE SUPERFICIE [28]p. 90
- FIG. 73 FACTOR DE TEMPERATURA [28]p. 91
- FIG. 74 FACTOR DE CONFIABILIDAD [28]p. 91
- FIG. 75 DIAGRAMA S-N PARA ENLACES 1 Y 2p. 92
- FIG. 76 DIAGRAMA S-N PARA ENLACES 3, 4 Y 5p. 93
- FIG. 77 CONFIGURACIÓN ENLACESp. 95
- FIG. 78 PREPARACIÓN DE LA JUNTA PARA ENSAMBLES SOLDADOS [28]p. 96
- FIG. 79 ALGUNAS CATEGORÍAS DE ENSAMBLES SOLDADOS [28]p. 97
- FIG. 80 COEFICIENTE CF Y 𝑆𝑒𝑟 [28]p. 97
- FIG. 81 ZONA DE APLICACIÓN DE LA SOLDADURAp. 99
- FIG. 82 – EXTREMO DE UN ENLACEp. 100
- FIG. 83 ROTULA UTILIZADA EN EL ENSAMBLE AL SOPORTE AL BOCÍNp. 101
- FIG. 84 ROTULA UTILIZADA EN EL ENSAMBLE AL SOPORTE DEL CHASISp. 101
- FIG. 85 PRIMER MONTAJE REALIZADO DE LA SUSPENSIÓN - RUEDA IZQUIERDAp. 102
- FIG. 86 ENSAMBLE COMPLETO DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN DELANTERO EN EL PROTOTIPOp. 102
- FIG. 88 DIMENSIONES DE LAS ROTULASp. 103
- FIG. 89 AJUSTE MÍNIMO Y MÁXIMO EN LOS ENLACESp. 104
- FIG. 90 CONFIGURACIÓN INICIAL DEL ENLACE 1 (DELANTERO INFERIOR) DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓNp. 104
- TABLA 1. PARÁMETROS DE DISEÑO DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓNp. 39
- TABLA 2 – MODELO CINEMÁTICO – SISTEMA 5 SSp. 41
- TABLA 3. – MEDIDAS Y ÁNGULOS OBTENIDOSp. 48
- TABLA 4 – COMPONENTES DE LOS ENLACES DE LA SUSPENSIÓNp. 51
- TABLA 5 – DISTRIBUCIÓN DE LA MASA DEL VEHÍCULOp. 51
- TABLA 6 – MEDIDAS UTILIZADAS EN LOS CÁLCULOSp. 53
- TABLA 7 – VECTORES DIRECTORES UNITARIOS DE LAS FUERZAS, CASO 1p. 57
- TABLA 8 – VECTORES RI CASO 1p. 58
- TABLA 9 – FUERZAS OBTENIDAS EN LOS ENLACES Y EL AMORTIGUADOR, CASO 1p. 58
- TABLA 10 – VALORES DE RESISTENCIA Y FACTORES DE SEGURIDAD OBTENIDOS – CASO 2, ASCENSOp. 58
- TABLA 11 – VECTORES DIRECTORES DE LAS FUERZAS - CASO 2, ASCENSOp. 61
- TABLA 12 – VECTORES RI – CASO 2, ASCENSOp. 62
- TABLA 13 - FUERZAS OBTENIDAS EN LOS ENLACES Y EL AMORTIGUADOR - CASO 2, ASCENSOp. 63
- TABLA 14 – VALORES DE RESISTENCIA Y FACTORES DE SEGURIDAD OBTENIDOS – CASO 2, ASCENSOp. 63
- TABLA 15 – VECTORES DIRECTORES DE LAS FUERZAS – CASO 2, DESCENSOp. 66
- TABLA 16 – VECTORES R𝑖 – CASO 2, DESCENSOp. 67
- TABLA 17 – FUERZAS OBTENIDAS EN LOS ENLACES Y EN EL AMORTIGUADOR – CASO 2, DESCENSOp. 67
- TABLA 18 – VALORES DE RESISTENCIA Y FACTORES DE SEGURIDAD – CASO 2, DESCENSOp. 67
- TABLA 19 – VECTORES DIRECTORES – CASO 3p. 71
- TABLA 20 – VECTORES RI – CASO 3p. 72
- TABLA 21 - FUERZAS OBTENIDAS EN LOS ENLACES Y EN EL AMORTIGUADOR – CASO 3p. 72
- TABLA 22 - VALORES DE RESISTENCIA Y FACTORES DE SEGURIDAD – CASO 3p. 72
- TABLA 23 – VECTORES DIRECTORES DE LAS FUERZAS – CASO 4p. 74
- TABLA 24 – VECTORES R𝑖p. 74
- TABLA 25 – FUERZAS OBTENIDAS EN LOS ENLACES Y EN EL AMORTIGUADOR – CASO 4p. 75
- TABLA 26- VALORES DE RESISTENCIA Y FACTORES DE SEGURIDAD – CASO 4p. 75
- TABLA 27 – ESPECIFICACIONES DEL RESORTE DEL AMORTIGUADORp. 76
- TABLA 28– RESULTADOS Y VALORES DE LA EVALUACIÓN DEL RESORTE EN CONDICIÓN ESTÁTICAp. 80
- TABLA 29 – RESULTADOS PARA LA EVALUACIÓN EN FATIGA DEL RESORTE, CASO 3p. 82
- TABLA 30 – RESULTADOS PARA LA EVALUACIÓN EN FATIGA DEL RESORTE, CASO 2p. 82
- TABLA 31 – DIMENSIONES DEL RESORTE PROPUESTOp. 86
- TABLA 32 – FUERZA DE COMPRESIÓN EN RESORTE PROPUESTOp. 88
- TABLA 33 – RESISTENCIA DEL RESORTE EN CONDICIÓN ESTÁTICAp. 89
- TABLA 34 – RESISTENCIA DEL RESORTE A FATIGAp. 89
- TABLA 35 – ESFUERZOS MEDIOS Y ALTERNANTE EN CADA ENLACEp. 92
- POSIBLES ESCENARIOS DE CARGA VARIABLEp. 94
- TABLA 37- FACTOR DE SEGURIDAD A FATIGA DE LOS ENLACESp. 94
- TABLA 38 - FUERZAS EN CADA ENLACE Y GEOMETRÍA DE LA SOLDADURAp. 96
- TABLA 40 – FACTOR DE SEGURIDAD A FATIGA DE LA SOLDADURAp. 98