“Análisis de la suspensión y la estructura de un...

MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO

Tema A1a Diseño Mecánico: Análisis por elementos finitos

“Análisis de la suspensión y la estructura de un vehículo UTV mediante FEM”.

A. Montes de Oca a, E.I. Ramírez a, O. Ruiz* a, V.H. Jacobo a

aUnidad de Investigación y Asistencia Técnica en Materiales. Facultad de Ingeniería, UNAM. Laboratorios de Ingeniería Mecánica “Ing. Alberto Camacho Sánchez”. Circuito interior, Anexo de Ingeniería, Ciudad Universitaria, 04510 México CDMX

* Contacto: [email protected]

R E S U M E N

El objetivo de este trabajo fue tener un estudio mediante FEM del comportamiento de un vehículo utilitario para cumplir

tareas agrícolas sometido a las condiciones de operación básicas; como son aceleración, frenado y curveo con diferente

inclinación del terreno. El vehículo cuenta con una estructura tubular y con suspensiones independientes de doble

horquilla indispensables para mantenerlo estable durante las irregularidades del terreno.

Primeramente se utilizaron las ecuaciones de dinámica vehicular para determinar las fuerzas que actúan en cada rueda

para cada condición, para después en el modelo numérico aplicar las cargas en la región donde las ruedas tienen contacto

con el terreno en una dirección perpendicular a éste y para la condición de curveo se aplicaron también las cargas

laterales en cada rueda que actúan debido a la fuerza centrípeta empotrando las zonas donde se concentran los mayores

pesos en el vehículo.

Los resultados obtenidos de las simulaciones de los modelos de las suspensiones y de la estructura muestran que la fuerza

de reacción más alta se presentó para la suspensión delantera durante la condición de frenado y para la suspensión

trasera en la condición de curveo y en la estructura los esfuerzos mas altos fueron en la base delantera de la suspensión

y en los travesaños traseros que soportan la caja de equipaje.

Palabras clave: Análisis por elementos finitos, dinámica vehicular, Vehículo Utilitario de Tareas (UTV), análisis estructural.

A B S T R A C T

The objective of this paper is to analyze by FEM the behavior of a utility vehicle UTV under basic operation conditions;

such as acceleration, braking and cornering at different slopes. The vehicle is built with tubular structure and has double

wishbone suspensions necessary to maintain it stable on irregular terrain.

Firstly vehicle dynamics equations were used to determine the loads on each wheel for each condition, then in the

numerical model the loads was applied where the wheels has contact with the land in perpendicular direction to it and in

cornering condition also were applied lateral loads on each wheel due to the centripetal force and finally the areas where

the weight is concentrated in the vehicle were encastred.

The model simulations results of suspensions and structure show that the higher reaction was presented on the front

suspension during braking condition and for rear suspension on the cornering condition and the stresses on structure

were on the front base of the suspension and the elements which support the luggage box.

Keywords: FE analysis, vehicle dynamics, Utility Task Vehicle (UTV), structural analysis.

ISSN 2448-5551 DM 201 Derechos Reservados © 2017, SOMIM

mailto:[email protected]


1. Introducción

1.1 Estructura y suspensión

Una estructura es un conjunto de partes unidas entre sí para

formar un cuerpo, una forma o un todo, destinadas a soportar

los efectos de las fuerzas que actúan sobre ella. En el campo

automotriz, la estructura metálica es el chasis, sobre el que se

montan y relacionan todos los elementos del automóvil;

carrocería, motor, transmisión, dirección, suspensión, y se

encarga de soportar las cargas estáticas y dinámicas que actúan

en el vehículo [1].

El chasis tubular ("superligera" en italiano), fue creado por

el italiano Touring en 1937 [2]. Esta técnica utiliza como

estructura del vehículo una red de tubos metálicos soldados,

recubierta después con láminas metálicas, frecuentemente de

metales como aluminio o magnesio. Este tipo de estructuras

consigue una carrocería de gran rigidez y resistencia con muy

poco peso, con alta durabilidad, aguanta muy bien los impactos

y la deformación es progresiva, por otro lado la fabricación es

muy cara y laboriosa, de muy difícil acceso a sus componentes

y se deben sellar los interiores de los tubos para evitar fallas por

corrosión [3].

En un vehículo con suspensión la masa del vehículo se

divide en dos, masa suspendida y masa no suspendida. La masa

suspendida del vehículo (M), es el conjunto de órganos del

vehículo que forman la “caja” (Chasis, carrocería, pasajeros y

carga), que no está en contacto rígido con la superficie del

terreno, mientras que la masa no suspendida del vehículo (R),

es el conjunto de órganos que están en contacto directo con el

terreno y deben seguir el perfil del mismo en todas las

circunstancias (ruedas, ejes, semiejes, dispositivos de frenado).

Al conjunto de elementos elásticos (K) y viscosos (v), que se

interponen entre las masas no suspendidas y las suspendidas y

que confieren a esta unión un comportamiento flexible y

amortiguado se llama suspensión [4].

Las funciones de la suspensión son [5]:

• Amortiguar los movimientos bruscos que se producirían

en la estructura, por efecto de las irregularidades que

presenta el camino.

• Proporcionar control del vehículo y una marcha suave,

estable y segura.

• Mantener las llantas en una dirección y camber adecuados

respecto a la superficie del terreno.

• Mantener las llantas en el suelo procurando una mínima

variación en las cargas.

• Reaccionar a las fuerzas producidas por las llantas.

• Resistencia a la volcadura del vehículo.

Los elementos de la suspensión han de ser lo suficientemente

rígidos y resistentes para soportar las cargas a las que se ven

sometidos [6].

La configuración de brazos en A es un tipo de suspensión

independiente la cual permite que cada rueda asimile

ondulaciones o accidentes del terreno sin transferirlas a la otra

rueda con lo que reduce el balanceo de la carrocería. Algunas

características de este tipo de suspensión son: mínimo espacio

requerido, fácil direccionalidad y poco peso. Esta configuración

se distingue por lograr recuperar el camber inicial después del

curveo. Por otro lado el costo de producción es alto, debido al

número de elementos, existe una deformación permanente de

los cojinetes y hay mayor desgaste de las llantas

Debido a esto, esta configuración consiste en 2 brazos

transversales que están unidos al chasis [6]. (Fig. 1)

Figura 1 - Suspensión de brazos en A [5].

Para este estudio, se analizó la estructura de vehículo (Fig.

2), la cual es tubular fabricada en acero, con suspensiones de

brazos en A que disminuyen las cargas a la estructura y la hacen

a su vez más estable.

Figura 2 - Vehículo UTV de estudio [7].

2. Metodología

2.1 Determinación de cargas mediante ecuaciones de

dinámica vehicular

Para el análisis de dinámica vehicular se planteó un diagrama

de cuerpo libre del vehículo en el cual actúan las fuerzas más

significativas, para determinar las cargas axiales que actúan

sobre éste [8]. (Fig. 3)

Figura 3 - Diagrama de cuerpo libre del vehículo.

Centro de la

llanta

Brazos de control

Chas

is

Eje

Pivote



Se consideró la carga máxima que es la estructura, los

componentes del motor, 3 pasajeros y una carga de 450 Kg,

dando un peso total de 10998.97 N, además de la variación de

la pendiente a 0°, 10°, 20° y 40° en sentido positivo (es decir,

la parte delantera del automóvil se encuentra más arriba que la

parte trasera), se decidió hacer los cálculos para esta condición

debido a que la parte trasera es la que tendrá que soportar más

peso ya que es en esta parte donde se encuentra la caja, el motor

y el portaequipaje. Además de que es un vehículo tipo todo

terreno y tendrá que ser capaz de subir pendientes muy

pronunciadas [9].

Tabla 1 - Propiedades del vehículo

Propiedades Valores Unidades

Lx 2.7147 m

Lz 1.6044 m

CGanálisis (1.5102,0.7641,0.5714) m

mestructura

(estructura y

componentes del

vehículo)

446.2 Kg

mTotal (Incluyendo 3

personas de 75 Kg y

una carga en la caja

de 450 Kg)

1121.2 Kg

g 9.81 m/s2

WT 10998.97 N

hFp 0.9272 m

A 1.3391 m

B 0.9321 m

C 0.5714 m

θ 0, 10, 20 y 40 Grados

ax 2.596 m/s2

De acuerdo con la convención SAE, el momento en sentido

de las manecillas del reloj es positivo [8]. Al realizar la suma

de momentos del diagrama de cuerpo libre de la Fig. 3 en los

ejes se obtiene:

cospT x p F

d

WW B Csen a C F h

gW

A B

(1)

cospp F x T

t

WF h a C W Csen A

gW

A B

(2)

2.1.1 Cargas estáticas

La carga estática del vehículo es la suma de las cargas estáticas

por eje, estas desprecian cualquier fuerza que actúa sobre el

vehículo bajo condiciones dinámicas; por lo tanto

cos CsenT

ds

W BW

A B

(3)

sen A cosT

ts

W CW

A B

(4)

Al sustituir en las ecs. (3)-(4), se obtuvieron los siguientes

resultados.

Tabla 2 - Cargas estáticas por cada eje del vehículo

Como se observa en los resultados, las cargas en el eje

trasero aumentan cuando la pendiente aumenta y las cargas en

el eje delantero disminuyen, como es lógico las cargas se

transfieren al eje que se encuentre en la parte más baja con

respecto al otro. Aunque para la pendiente de 40° se observa

una disminución y es que conforme la pendiente aumenta la

fuerza tangente al terreno aumenta y es la que impide el

movimiento del vehículo.

Debido a que el centro de gravedad del vehículo se encuentra

fuera del centro geométrico se debe realizar un balance de

momentos en la parte transversal para obtener las diferencias en

la distribución de la carga [8]. (Fig. 4)

Figura 4 - Fuerzas transversales del vehículo

En la tabla 3 se muestran los valores de las dimensiones del

vehículo en el plano transversal.

Tabla 3 - Datos de las fuerzas transversales

Propiedades Valores Unidades

Ly 1.4408 m

CGanálisis (1.5102,0.7641,0.5714) m

C 0.5714 m

E 0.0437 m

F 0.7641 m

I 0.6767 m

Al realizar la suma de momentos del diagrama de cuerpo

libre de la Fig. 4 se obtiene:

T

sta der

V

W FW

L (5)

T

sta izq

V

W IW

L (6)

Eje a 0° (N) a 10° (N) a 20° (N) a 40° (N)

Delantero 4513.97 3964.88 3295.31 1679.19

Trasero 6484.99 6866.98 7040.33 6746.50

Total 10998.96 10831.86 10335.64 8425.69



Al sustituir en las ecs. (5)-(6), se obtuvieron los siguientes

resultados, los cuales muestran las cargas por cada llanta del

vehículo.

Tabla 4 - Cargas estáticas por rueda

En los resultados se observa; como se esperaba, que las

fuerzas del lado derecho fueran de mayor magnitud ya que el

centro geométrico del vehículo se encuentra en este lado.

2.1.2 Cargas debidas a la aceleración

Cuando el vehículo comienza a acelerar, las fuerzas debidas a

la aerodinámica del automóvil pueden considerarse

despreciables. Con esta consideración y a partir de las ecs. de

peso suspendido (7)-(8), las ecs. de aceleración son:

T x

da ds

W a CW W

g A B

(7)

T x

ta ts

W a CW W

g A B

(8)

En consecuencia, la distribución de cargas debidas a la

aceleración depende de las cargas estáticas y de los niveles de

aceleración en la dirección de movimiento del vehículo [8].

En esta condición se observa que cualquiera que sea la

pendiente, la carga del eje delantero es transferida hacia el eje

trasero; debido al cabeceo natural del automóvil.

Al sustituir en las ecs. (5)-(6), se obtuvieron las cargas por

cada llanta del vehículo.

Tabla 5 - Cargas por rueda debido a la aceleración

Eje a 0° (N) a 10° (N) a 20° (N) a 40° (N)

Delantero

Wsta(Der)

2005.55 1714.35 1359.26 502.18

Delantero

Wsta(Izq)

1776.15 1518.25 1203.78 444.74

Trasero

Wsta(Der)

3827.53 4030.11 4122.04 3966.22

Trasero

Wsta(Izq)

3389.73 3569.14 3650.55 3512.55

2.1.3 Cargas debidas al frenado

Considerando que las cargas de resistencia al rodado tienen

magnitudes pequeñas, alrededor de 0.01g [8].

T x

df ds

W d CW W

g A B

(9)

T x

tf ts

W d CW W

g A B

(10)

En frenado la carga del eje trasero es transferida hacia el eje

delantero debido al cabeceo del automóvil. Al sustituir en las

ecs. (5)-(6), se obtuvieron las cargas por cada llanta del

vehículo.

Tabla 6 - Cargas por rueda debido al frenado

2.1.4 Cargas de curveo

Durante el curveo, el vehículo se encuentra sometido a cargas

laterales generadas por la trayectoria no lineal que debe

mantener. Para estudiar el comportamiento y la magnitud de las

fuerzas laterales, se planteó un modelo de 2 ruedas [8]. (Fig. 5)

Figura 5 – Fuerzas de curveo

La fuerza lateral está distribuida en la misma proporción que

el peso. Por lo tanto:

2

d

yd

W VF

gR

(11)

2

t

yt

W VF

gR

(12)

Las ecuaciones anteriores representan las cargas laterales

presentes en cada eje del vehículo, que dependen

principalmente de la carga en el eje, velocidad y el radio de giro.

Al sustituir en las ecs. (5)-(6), se obtuvieron las cargas por cada

llanta del vehículo.

Tabla 7 - Cargas laterales por rueda debido al curveo

Eje a 0° (N) a 10° (N) a 20° (N) a 40° (N)

Delantero

Fy(Ext)

1721.54 1459.78 1140.58 370.16

Delantero

Fy(Int)

1524.62 1292.80 1010.12 327.82

Eje a 0° (N) a 10° (N) a 20° (N) a 40° (N)

Delantero

Wsta(Der)

2393.89 2102.69 1747.60 890.53

Delantero

Wsta(Izq)

2120.07 1862.18 1547.71 788.66

Trasero

Wsta(Der)

3439.18 3641.77 3733.70 3577.87

Trasero

Wsta(Izq)

3045.80 3225.21 3306.63 3168.62

Eje a 0° (N) a 10° (N) a 20° (N) a 40° (N)

Delantero

Wsta(Der)

3127.65 2836.45 2481.36 1624.28

Delantero

Wsta(Izq)

2769.90 2512.01 2197.54 1438.49

Trasero

Wsta(Der)

2705.43 2908.01 2999.94 2844.11

Trasero

Wsta(Izq)

2395.97 2575.38 2656.80 2518.79



Trasero

Fy(Ext)

3521.82 3703.92 3786.55 3646.53

Trasero

Fy(Int)

3118.98 3280.25 3353.44 3229.43

Aunado al efecto de las cargas laterales, se presenta una

transferencia de peso en la dirección transversal del vehículo,

este efecto debe ser considerado para el cálculo. La trasferencia

de peso está ligada a las fuerzas laterales generadas durante el

curveo y a la rigidez transversal de la suspensión [8]. (Fig. 6)

Figura 6 – Fuerzas laterales y verticales que actúan en el vehículo

durante el curveo [8]

Pero como las cargas por eje no están distribuidas

homogéneamente entre las 2 ruedas, entonces la diferencia de

fuerzas interna y externa es:

int

d d

zd z ext d z d

y y

W F W IF F F

L L

(13)

int

t t

zt z ext t z t

y y

W F W IF F F

L L

(14)

Al sustituir en las ecs. (13)-(14), se obtuvieron las cargas

durante el curveo.

Tabla 8 - Cargas internas y externas debido al curveo del vehículo

Eje a 0° (N) a 10° (N) a 20° (N) a 40° (N)

Delantero

FZ(ext)

3713.66 3393.93 3004.04 2062.97

Delantero

FZ(int)

-102.40 -331.75 -611.43 -1286.48

Trasero

FZ(ext)

6156.18 6388.56 6494.01 6315.26

Trasero

FZ(int)

1231.51 1381.13 1449.03 1333.94

De los resultados obtenidos en las cargas internas y externas

se puede interpretar que la estructura se tuerce durante la

condición de curveo, ya que en el eje delantero las dos ruedas

generan un par, mientras que en el eje trasero las ruedas

únicamente se oponen al peso del vehículo, también se observa

como las ruedas que están del lado exterior a la curva son las

que contrarrestan el mayor peso del vehículo para que este no

vuelque.

2.2 Generación del modelo numérico

2.2.1 Generación de los elementos geométricos

Con la intención de simplificar los modelos, se construyeron las

piezas a partir de elementos wire, los cuales representan los

elementos de soporte (brazos, bujes, rines y masa) y a cada uno

de estos se les asigno el perfil correspondiente con la

suspensión del vehículo.

Suspensión delantera

La suspensión delantera tiene dos horquillas, con dos arreglos

resorte-amortiguador, estos se encargan de recibir las cargas

debido a las variaciones del terreno, los brazos en A funcionan

para mejorar la variación del camber y para tener soporte en la

suspensión. (Fig. 7)

Figura 7 – Suspensión delantera en software CAD [7]

Suspensión trasera

La suspensión trasera es igual que la delantera, del tipo

independiente con brazos en A. (Fig. 8)

Figura 8 – Suspensión trasera en software CAD [7]

Estructura

Con la finalidad de disminuir el tiempo de cómputo se

construyó la estructura con elementos wire basada en el modelo

CAD. (Fig. 9)

Figura 9 – Estructura con elementos wire



2.2.2 Propiedades y perfiles de los elementos

Se ingresaron las propiedades mecánicas del acero, así como

los perfiles de los elementos de las suspensiones y la estructura.

Tabla 9 - Propiedades del acero (ASTM A36) [10]

Densidad 7800 (Kg/m3)

Módulo de Young 210 (GPa)

Coeficiente de Poisson 0.3

Esfuerzo de fluencia 250 (MPa)

Se le asignó a cada elemento un perfil acorde al obtenido de

los CAD, donde los espesores de estos varía entre 2 y 2.5 mm

y las placas donde se apoyan los arreglos resorte-amortiguador

tiene un espesor de 5 mm (Fig. 10).

Figura 10 – Suspensiones con sus respectivos perfiles

Mientras que para la estructura los elementos en color rojo

tienen una anchura de 2 pulgadas, los elementos en color verde

de 1 pulgada y las placas en color amarillo un espesor de 2.5

mm (Fig. 11).

Figura 11 – Estructura con perfiles

2.2.3 Tipo de análisis, cargas y condiciones de frontera

Se eligió un análisis dinámico/implícito, ya que el tiempo no es

un factor que modifique los resultados [11]. Para relacionar

elementos en un ensamble dentro de Abaqus®, puede lograrse

mediante restricciones o conectores. Los primeros restringen

grados de libertad en las regiones seleccionadas del modelo,

mientras que los conectores relacionan dos puntos dentro del

ensamble asociando un sistema de referencia local [12].

Los conectores utilizados fueron axial para representar los

arreglos resorte-amortiguador y las llantas, el conector

soldadura para unir todos los elementos de la estructura y

algunos de las suspensiones y el conector bisagra para

representar el movimiento de los brazos de las suspensiones con

la estructura además del movimiento de los brazos con la masa

de la rueda para permitir el cambio de camber.

Se asignó un empotramiento en la unión de la suspensión con

el chasis para determinar las fuerzas en cada elemento de

contacto. (Fig. 12)

Figura 12 – Cargas y condiciones de frontera para la suspensión

Para realizar el análisis de la estructura los empotramientos

de las suspensiones se eliminaron y en su lugar se utilizaron

conectores para unirlas a la estructura mientras que se

empotraron los elementos de la estructura donde se concentran

las mayores cargas, es decir; la caja donde va el equipaje, el

asiento donde van los pasajeros, la placa de la parte trasera

donde va el motor y la base de la parte delantera donde va la

batería y el diferencial delantero. (Fig. 13)

Figura 13 – Cargas y condiciones de frontera para la estructura

2.2.4 Mallado

El tamaño que se eligió fue de 5 mm (0.005 m), el número

total de nodos es de 17428 y el número total de elementos es de

17383. El tipo de los elementos es viga de orden geométrico

lineal.

3. Análisis de resultados

3.1 Resultados de la suspensión delantera

La posición en la que se presentaron las reacciones es debido al

tipo de conector con el cual se encuentran restringidos los

brazos, la dirección y sentido de las fuerzas son las mismas que

para las condiciones de estática, aceleración y frenado. (Fig. 14)

Los valores de las fuerzas de reacción que se obtuvieron en los

elementos del lado derecho del vehículo presentan fuerzas de

reacción 11.5% mayores a las del lado izquierdo. Y la fuerza de

reacción más alta en la condición estática fue de 4234 N y se

encuentra en el sistema de amortiguamiento derecho en un

terreno plano, para la condición de aceleración se presentó en



el sistema de amortiguamiento derecho con un valor de 3547 N

y para la condición de frenado con un valor de 6074 N.

Figura 14 – Fuerzas de reacción de la suspensión delantera (unidades N)

En la gráfica 1 se observa como a medida que la pendiente

crece las fuerzas de reacción disminuyen.

Gráfica 1 - Fuerzas de reacción para la condición de frenado en la

suspensión delantera

Siendo la condición de frenado donde se presentan las

fuerzas de reacción más altas se analizaron los esfuerzos. Se

observó que donde se apoya el sistema de amortiguamiento es

la zona donde se presentan esfuerzos del orden de 109 MPa,

pero se descarta ya que el modelo lo toma como una carga

puntual por ende no muestra un valor real. La condición de

frenado presenta esfuerzos del 36.25% mayores a los de la

condición estática y 62.7% respecto a la condición de

aceleración. (Fig. 15)

Figura 15 – Esfuerzos de la suspensión delantera en condición de frenado

En la condición de curveo los esfuerzos son de similar

magnitud que en los de la condición de frenado aunque solo

para los elementos exteriores a la curva. Las fuerzas de reacción

en esta condición cambian conforme la pendiente aumenta; es

decir, en los elementos exteriores las direcciones y sentidos se

mantiene iguales mientras que en los elementos interiores

cambian en sentido contrario de la pendiente 0° a la pendiente

de 40° (Fig. 16)

Figura 16 – Fuerzas de reacción de la suspensión delantera en condición

de curveo a 0°

En la gráfica 2 se muestra el comportamiento en la

suspensión delantera para cuando la pendiente aumenta en una

curva, donde en un principio la rueda interna carga parte del

peso de la suspensión y para 20° y 40° esta rueda deja de cargar

y ahora la estructura carga esta rueda. Presentando fuerzas de

reacción de 6190 N en un terreno plano y para 40° de 3571 N

en el resorte-amortiguador de la rueda externa a la curva.

Gráfica 2 - Fuerzas de reacción para la condición de curveo en la

suspensión delantera

3.2 Resultados de la suspensión trasera

La dirección y el sentido en la que se presentaron las reacciones

en condición estática, se presentan de la misma manera para las

condiciones de aceleración, frenado y curveo. (Fig. 17)

Figura 17 – Fuerzas de reacción de la suspensión trasera (unidades N)

El resorte amortiguador derecho es el elemento que presenta

el mayor aumento de fuerza de reacción con un valor de 5662

N para una pendiente de 20°, para la condición de aceleración

el sistema de amortiguamiento derecho presenta un valor de

6443 N y en la condición de frenado con un valor de 4448 N.

La gráfica 3 muestra la distribución de las cargas y como las

fuerzas de reacción aumentan conforme la pendiente aumenta

hasta los 20° después las fuerzas disminuyen.

Concentradores de esfuerzos



Gráfica 3 - Fuerzas de reacción para la condición de aceleración en la

suspensión trasera

Debido a que la condición de aceleración fue la condición

donde se presentaron las mayores fuerzas de reacción en la

suspensión trasera, se realizó un análisis de esfuerzos

presentando esfuerzos 14.2% mayores a los de la condición

estática y 41.5% más que los esfuerzos de la condición de

frenado. (Fig. 18)

Figura 18 – Esfuerzos de la suspensión trasera en condición de aceleración

La condición de curveo presentó esfuerzos 17.7% mayores a

los de la condición de aceleración, aunque solo en los elementos

exteriores a la curva.

3.3 Resultados de la estructura automotriz

Los análisis a la estructura fueron estático, aceleración, frenado

y curveo en un terreno plano. La distribución de esfuerzos para

las condiciones de estático, aceleración y frenado resultaron ser

muy similares por lo que únicamente se presentará la condición

más crítica la cual fue frenado (Fig. 19).

Se observó una zona puntual que presenta algún error en el

modelo ya que un punto reporta un valor de 3.17 GPa en la base

de la suspensión delantera, este valor es excesivo e irreal. Se

observó que hay dos zonas donde se concentran los esfuerzos,

estos son la base de la suspensión delantera y los travesaños

traseros de la estructura; los cuales cuando el vehículo cabecea

debido a la aceleración o al frenado, los esfuerzos en estas zonas

aumentan o disminuyen.

Para la condición de frenado se presentaron en la parte

trasera esfuerzos de alrededor de los 250 MPa y en los demás

elementos de la base de la suspensión delantera se encontraron

esfuerzos de alrededor de 300 MPa. Mientras que para la

condición de aceleración se presentaron en la parte trasera

esfuerzos de alrededor de los 350 MPa y en los demás

elementos de la base de la suspensión delantera se encontraron

esfuerzos de alrededor de 220 MPa.

Figura 19 – Esfuerzos en la estructura bajo la condición estática,

aceleración y frenado

Observando de cerca el punto que presenta los esfuerzos más

elevados se encontró la posible causa y es que la placa donde se

unen los brazos inferiores de la suspensión con la base de la

suspensión delantera tiende a separarse de los largueros lo cual

no debería de suceder puesto que éstas placas están soldadas a

los travesaños; por lo que para evitar que los largueros se

separen se propone agregar un refuerzo. (Fig. 20)

Figura 20 – Refuerzo propuesto para la parte delantera de la estructura

En la Fig. 21 se observa cómo se distribuyen los esfuerzos

entre los elementos y los que están en color rojo son los

mayores, esto se debe a que como son los más próximos a unir

la caja con la parte inferior de la estructura, pues son los

elementos que cargan el mayor peso de ésta. Como el valor de

los esfuerzos resultó de 350 MPa y la distribución en este caso

es homogénea, entonces se recomienda que los elementos en

color rojo se cambien por unos más gruesos como los perfiles

con los que se encuentra armada la estructura, es decir, por unos

tubos cuadrados de 2 pulgadas por lado con un espesor de 2.5

mm, para garantizar que la estructura soportará la carga de la

caja.

Figura 21 – Esfuerzos en la parte trasera de la estructura bajo la

condición de frenado

Concentradores de esfuerzos



Para la condición de curveo la carga se transfiere hacia los

elementos del lado derecho por dar vuelta hacia la izquierda, los

esfuerzos en estos elementos son mayores, siendo en la base de

la suspensión delantera valores del orden de 280 MPa, y los

travesaños traseros con valores del orden de 380 MPa.

4. Conclusiones

El uso de la metodología aquí presentada permitió el desarrollo

adecuado de los modelos y análisis del vehículo utilitario de

tareas, logrando el objetivo de obtener las fuerzas de reacción y

esfuerzos en las suspensiones, así como los esfuerzos en la

estructura del vehículo cuando está a su máxima capacidad bajo

las condiciones de manejo estándar.

Con la obtención de las fuerzas de reacción en los elementos

de las suspensiones, se lograron obtener los valores de entrada

de sus elementos de soporte, donde para las condiciones

estáticas, de aceleración y frenado se tiene que los elementos

críticos son los sistemas de amortiguamiento con un 50% de la

carga entre los dos para la suspensión delantera y un 32% para

la suspensión trasera.

Para los casos en los cuales fueron analizadas las

suspensiones, los elementos críticos se observaron en donde se

apoya el resorte-amortiguador y para la estructura se

encontraron 2 principales regiones, la base de la suspensión

delantera y los travesaños de la parte trasera del vehículo. Se

recomienda seguir el protocolo que utilizan las empresas de la

industria automotriz empleando diferentes materiales para la

producción de sus vehículos, dependiendo los esfuerzos y las

zonas del vehículo que se consideran más críticas, por lo que se

sugiere cambiar los elementos que presentaron esfuerzos

mayores a los recomendados para el tipo de acero empleado

(A36), por uno de mayor resistencia.

Agradecimientos

A la Universidad Nacional Autónoma de México, a la Facultad

de Ingeniería y a la UDIATEM en especial a los ingenieros

Efraín Ramos, Ignacio Cueva, Lázaro Morales, Roberto

Cisneros, Jorge Romero y al biólogo Germán Álvarez.

Los autores también desean agradecer la información

proporcionada por el proyecto CONACyT-PROINNOVA-

FORZA No. 211811 que sirvió como referencia directa el

desarrollo de este trabajo.

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