DIFERENCIAL PARA VEHÍCULO...
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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS QUERÉTARO DIFERENCIAL PARA VEHÍCULO ELÉCTRICO. TESINA QUE PARA OPTAR EL GRADO DE MAESTRO EN INGENIERÍA AUTOMOTRIZ PRESENTA DIEGO RENÉ URGILÉS CONTRERAS Asesor: Asesor Externo: Dr. EDGARDO PÉREZ HERMOSILLO M. en C. VÍCTOR ROMERO MUÑOZ Comité de tesina: Dr. OSCAR OLVERA SILVA Dr. EDGARDO PEREZ HERMOSILLO Jurado: Dr. EDGARDO PÉREZ HERMOSILLO, Dr. OSCAR OLVERA SILVA, Dr. JOSÉ LUIS ORTIZ ROSALES, Dr. JOSÉ MANRÍQUEZ YÉPEZ, M. en C. VICTOR ROMERO MUÑOZ, Presidente Secretario Vocal Vocal Vocal Santiago de Querétaro, Qro. Abril de 2014.
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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS QUERÉTARO
DIFERENCIAL PARA VEHÍCULO ELÉCTRICO.
TESINA QUE PARA OPTAR EL GRADO DE
MAESTRO EN INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
PRESENTA
DIEGO RENÉ URGILÉS CONTRERAS
Asesor:
Asesor Externo:
Dr. EDGARDO PÉREZ HERMOSILLO
M. en C. VÍCTOR ROMERO MUÑOZ
Comité de tesina:
Dr. OSCAR OLVERA SILVA
Dr. EDGARDO PEREZ HERMOSILLO
Jurado:
Dr. EDGARDO PÉREZ HERMOSILLO,
Dr. OSCAR OLVERA SILVA,
Dr. JOSÉ LUIS ORTIZ ROSALES,
Dr. JOSÉ MANRÍQUEZ YÉPEZ,
M. en C. VICTOR ROMERO MUÑOZ,
Presidente
Secretario
Vocal
Vocal
Vocal
Santiago de Querétaro, Qro. Abril de 2014.
2
Presento mi más sincero reconocimiento y agradecimiento al Gobierno de la
República del Ecuador que a través de la Secretaria Nacional de Educación
Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT), cubrió con todos los
gastos de mis estudios de Maestría, rubros con los cuales fue posible logro
importante como es la Maestría en Ingeniería Automotriz en un Institución tan
Ilustre como lo es el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey,
Campus Querétaro, del País México.
3
RESUMEN
La presente Tesina muestra el desarrollo del proyecto titulado “Diferencial para Vehículo
Eléctrico” como estancia industrial en la empresa Centro de Innovación en Manufactura
Avanzada (CIMA). El objetivo específico, donde se aprovecha los componentes de la transmisión
y grupo diferencial de un Volkswagen Escarabajo año 98, es modificar el modelo actual de la
transmisión del vehículo de manera que la transmisión de poder (Torque – Potencia) se haga de
manera directa desde el eje de salida del motor eléctrico, hacia el eje que conecta el piñón cónico
con la corona y grupo diferencial y sucesivamente a los ejes y ruedas motrices, eliminándose el
conjunto del Embrague (Clucht) y todo el mecanismo de la caja de velocidades.
En los capítulos a continuación se muestra el proceso que se realiza para el logro del objetivo
mencionado, con el diseño y manufactura de la carcasa que aloja el conjunto del grupo
diferencial.
El diseño se realiza en el software Autodesk Inventor 2014 y la validación del mismo se apoya en
el Análisis de Elemento Finito que se realiza en el Software Autodesk Mechanical Simulation
2014, paquetes utilizados a petición de la empresa.
Finalmente se muestra los resultados obtenidos de los distintos análisis, al igual que evidencia de
la manufactura del nuevo diseño de la carcasa del grupo diferencial, que es de dimensiones más
pequeñas con respecto a la carcasa original.
Palabras Clave: Análisis de Elemento Finito, Diferencial, Diseño, Manufactura.
4
Contenido
1. INTRODUCCIÓN. .............................................................................................................................11
- LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ. ...........................................................................................11
- VEHÍCULOS AMIGABLES CON EL MEDIO AMBIENTE. ..............................................13
- QUERÉTARO Y EL ITESM ....................................................................................................16
- AUTOMÓVIL ELÉCTRICO ...................................................................................................18
- EL DIFERENCIAL....................................................................................................................18
1.2 JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................................19
1.2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .........................................................................19
1.2.2 IMPORTANCIA DENTRO DEL CAMPUS ...................................................................19
1.3 OBJETIVOS ...............................................................................................................................20
1.3.1 OBJETIVO GENERAL ....................................................................................................20
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...........................................................................................20
2. MARCO TEÓRICO ..........................................................................................................................21
2.1 EL TREN DE FUERZA MOTRIZ ...........................................................................................21
2.1.1 LA CAJA DE VELOCIDADES ........................................................................................24
2.1.2 EL ÁRBOL DEL TRANSMISIÓN Ó CARDÁN ............................................................27
2.1.3 LA JUNTA CARDÁN ........................................................................................................28
2.1.4 LOS SEMI-EJES O PALIERES .......................................................................................28
2.1.5 LOS RODAMIENTOS ......................................................................................................31
2.1.5.1 Estructura De Los Cojinetes .............................................................................................31
- Por la compañía SRC1 ................................................................................................................32
2.1.5.2 Tipos De Rodamientos2 ......................................................................................................32
2.2 EL DIFERENCIAL....................................................................................................................35
2.2.1 TIPOS DE DIFERENCIALES..........................................................................................38
2.2.1.1 Diferencial Convencional ...................................................................................................38
2.2.1.2 Diferencial Controlados .....................................................................................................40
2.2.2 MANTENIMIENTO Y DIAGNÓSTICO DEL GRUPO DIFERENCIAL ...................43
2.3 LUBRICANTE ...........................................................................................................................44
2.3.1 LUBRICANTE PARA EL CONJUNTO DIFERENCIAL .............................................45
3. DESARROLLO ..................................................................................................................................47
3.1 PROCESO DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN ......................................................................51
DISEÑO .................................................................................................................................................51
5
MANUFACTURA Y ENSAMBLE ..............................................................................................................52
3.1.1 ESTABLECER EL DISEÑO CONCEPTUAL PARA LA MODIFICACIÓN
ACTUAL DEL TREN MOTRIZ DEL VEHÍCULO SEGÚN LOS REQUERIMIENTOS
PRESCRITOS. ...................................................................................................................................52
3.1.2 LEVANTAR Y ESPECIFICAR DIMENSIONES ACTUALES, ASÍ COMO EL
NÚMERO DE ELEMENTOS ACTUALES. ...................................................................................53
3.1.3 DISEÑO...............................................................................................................................55
3.1.3.1 Bosquejos en Autodesk Inventor.......................................................................................56
3.1.4 MANUFACTURA Y ENSAMBLE. ..................................................................................60
4. RESULTADOS ...................................................................................................................................63
4.1 ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN LAS ZONAS CRÍTICAS DE LA ESTRUCTURA. .......63
4.1.1 ESFUERZOS EN LA TAPA PIÑÓN. ..............................................................................63
4.1.2 ESFUERZOS EN LOS PERNOS DE LAS BARRAS DE SUJECIÓN. ........................70
Análisis de la deflexión de la barra: ...................................................................................................72
Análisis del esfuerzo cortante en el perno: .........................................................................................74
4.1.3 ESFUERZOS EN LAS TAPAS LATERALES. ...............................................................77
4.1.4 RESUMEN DE RESULTADOS .......................................................................................82
4.1.5 FACTOR DE SEGURIDAD BAJO CRITERIO ESTÁTICO .......................................85
4.1.6 FACTOR DE SEGURIDAD, BAJO CRITERIO DE FATIGA - SODERBERG ........85
4.2 ANÁLISIS DE ELEMENTO FINITO DE LOS ESFUERZOS EN LAS ZONAS
CRÍTICAS. .............................................................................................................................................90
4.2.1 ANÁLISIS DE ELEMENTO FINITO EN LOS PERNOS DE LA TAPA DE
FIJACIÓN DEL EJE PIÑÓN. ..........................................................................................................90
4.2.2 ANÁLISIS DE ELEMENTO FINITO DE DEFORMACIÓN EN LAS BARRAS QUE
APOYAN LA PLACA MOTOR. ......................................................................................................92
4.2.3 ANÁLISIS ELEMENTO FINITO EN LOS PERNOS DE SUJECIÓN DE LAS PLACAS
LATERALES. .....................................................................................................................................93
5. CONCLUSIONES ..............................................................................................................................96
6. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................99
7. ANEXOS ...........................................................................................................................................101
7.1 DIBUJOS DE INGENIERÍA ...........................................................................................................101
6
LISTA DE FIGURAS.
FIGURA 1.1.1………………………………………………………………………………...… 11
FIGURA 1.1.2……………………………………………………………………………...…… 12
FIGURA 1.1.3………………………………………………………………………………...… 12
FIGURA 1.1.4……………………………………………………………………………………13
FIGURA 1.1.5…………………………………………………………………………………... 14
FIGURA 1.1.6…………………………………………………………………………………... 15
FIGURA 1.1.7…..………………………………………………………………………….…… 17
FIGURA 1.1.8….…………………………………………………………………………….…. 17
FIGURA 2.1.1.………………………………………………………………………………..... 21
FIGURA 2.1.2………...………………………………………………………………………… 22
FIGURA 2.1.3…..………………………………………………………………………………. 22
FIGURA 2.1.4….……………………………………………………………………………….. 23
FIGURA 2.1.5……………………………………………………………………………….….. 23
FIGURA 2.1.6…………………………………………………………………………….…….. 24
FIGURA 2.1.7…………………………………………………………………………….…….. 24
FIGURA 2.1.1.1………………………………………………………………………………… 25
FIGURA 2.1.1.2……………………………………………………………………………..….. 25
FIGURA 2.1.1.3…………………………………………………………………………...……. 26
FIGURA 2.1.1.4……………………………………………………………………..………….. 27
FIGURA 2.1.2.1…………………………………………………………………..…………….. 27
FIGURA 2.1.3.1…………………………………………………………………..……….……. 28
FIGURA 2.1.4.1…………………………………………………………………..……….……. 29
FIGURA 2.1.4.2………………………………………………………………..………….……. 29
FIGURA 2.1.4.3……………………………………………………………..……………..…… 30
FIGURA 2.1.4.4……………………………………………………………..…………….……. 30
7
FIGURA 2.1.5.1……………………………………………………………………………..….. 31
FIGURA 2.1.5.2……………………………………………………………..……………..…… 32
FIGURA 2.1.5.3…………………………………………………………..…………….....……. 33
FIGURA 2.1.5.4…………………………………………………………..……………….……. 33
FIGURA 2.1.5.5……………………………………………………………..…………….……. 34
FIGURA 2.2.1………………………………………………………….…………………..…… 35
FIGURA 2.2.2………………………………………………………….……………………….. 36
FIGURA 2.2.3…………………………………………………………….………………..…… 36
FIGURA 2.2.4…………………………………………………….………………………..…… 37
FIGURA 2.2.5………………………………………….………………………………….……. 37
FIGURA 2.2.6………………………………………….………………………………….……. 38
FIGURA 2.2.7………………………………………….………………………………….……. 38
FIGURA 2.2.8…………………………………………….……………………………….……. 39
FIGURA 2.2.9…………………………………………….……………………………….……. 39
FIGURA 2.2.10…………………………………………………………………………….….... 39
FIGURA 2.2.11………………………………………………………………………..…….….. 40
FIGURA 2.2.12…………………………………………………………………………..….….. 41
FIGURA 2.2.13……………………………………………………………………………...….. 42
FIGURA 2.2.14……………………………………………………………………………...….. 42
FIGURA 2.2.15……………………………………………………………………………...….. 43
FIGURA 2.3.1…………………………………………………………………………….….…. 44
FIGURA 2.3.2…………………………………………………………………………….…..… 44
FIGURA 2.3.3……………………………………………………………………………...…… 45
FIGURA 3.1…………………………………………………………………………….….…… 48
FIGURA 3.2…………………………………………………………………………….…...….. 49
FIGURA 3.3…………………………………………………………………………….……..... 50
8
FIGURA 3.4……………………………………………………………………………..……… 51
FIGURA 3.1.2.1…………………………………………………………………………….…... 53
FIGURA 3.1.2.2…………………………………………………………………………….…... 55
FIGURA 3.1.3.1…………………………………………………………………………….…... 56
FIGURA 3.1.3.1.1…………………………………………………………………………….… 57
FIGURA 3.1.3.1.2…………………………………………………………………………….… 57
FIGURA 3.1.3.1.3…………………………………………………………………………….… 58
FIGURA 3.1.3.1.4…………………………………………………………………………….… 58
FIGURA 3.1.3.1.5…………………………………………………………………………….… 59
FIGURA 3.1.3.1.6…………………………………………………………………………….… 59
FIGURA 3.1.3.1.7…………………………………………………………………………….… 60
FIGURA 3.1.4.1……………………………………………………………………………....… 61
FIGURA 3.1.4.2……………………………………………………………………………....… 61
FIGURA 3.1.4.3………………………………………………………………………..…..…… 62
FIGURA 4.1.1.1…………………………………………………………………………....…… 64
FIGURA 4.1.1.2……………………………………………………………………………....… 64
FIGURA 4.1.1.3………………………………………………………………………..…..…… 65
FIGURA 4.1.1.4………………………………………………………………………………… 65
FIGURA 4.1.1.5…………………………………………………………………………....…… 66
FIGURA 4.1.1.6……………………………………………………………………………....… 67
FIGURA 4.1.2.1…………………………………………………………………………....…… 71
FIGURA 4.1.2.2………………………………………………………………………………… 71
FIGURA 4.1.2.3…………………………………………………………………………....…… 75
FIGURA 4.1.3.1……………………………………………………………………………....… 77
FIGURA 4.1.3.2…………………………………………………………………………..…..… 78
FIGURA 4.1.3.3……………………………………………………………………………....… 78
9
FIGURA 4.1.4.1……………………………………………………………………………....… 84
FIGURA 4.1.4.2……………………………………………………………………………....… 89
FIGURA 4.2.1.1………………………………………………………………………………… 90
FIGURA 4.2.1.2……..……………………………………………………………………..…… 91
FIGURA 4.2.1.3……………………………………………………………………………....… 91
FIGURA 4.2.2.1……………………………………………………………………………....… 92
FIGURA 4.2.2.2……………………………………………………………………………....… 93
FIGURA 4.2.3.1…………………………………………………………………………..…..… 94
FIGURA 4.2.3.2………..…………………………………………………………………..…… 95
FIGURA 5.1……………..……………………………………………………………………… 97
10
LISTA DE TABLAS.
TABLA 3.1……………………………………………………………………………………… 47
TABLA 3.1.1……………………………………………………………………………….…… 54
TABLA 4.1.4.1…………………………………………………………….……………….…… 83
TABLA 4.1.4.2…………………………………………………………….……………….…… 88
11
1. INTRODUCCIÓN.
El presenta capitulo muestra la situación actual del área automotriz en México, esto tiene como
objeto mostrar la relevancia del proyecto realizado, mismo que va orientado a las tendencias
actuales.
1.1 ANTECEDENTES.
- LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ.
La Organización encargada de mostrar un panorama general de la industria automotriz, terminal,
nacional e internacional que facilite la detección de oportunidades de negocio en México; Pro-
México a través de la Secretaría de Economía informa la situación actual a nivel mundial del
sector automotriz, situando a China como el principal productor de vehículos, superando a Japón
y Estados Unidos; ubicándose a México por segundo año consecutivo como el 8vo productor a
nivel mundial, en el año 2012, con un valor de 3.0 millones de unidades producidas como lo
indica la figura a continuación.
FIGURA 1.1.1
12 FUENTE: http://mim.promexico.gob.mx, “Diez principales productores de vehículos a nivel mundial, en millones de unidades”,
p.p. 7, Octubre de 2013.
Respecto a la producción mundial de vehículos ligeros en el año 2012 habla de 80, 055,578
unidades equivalentes 1,221,834 millones de dólares, implicando un crecimiento del 6.6% en
comparación al año 2011; las estimaciones ya han sido lanzadas esperando para el año 2016 un
incremento del 19.9% respecto al año 2012. Estos datos están representados en función del
consumo registrado en el área de vehículos ligeros, lo que implicó un crecimiento del 9.2%
respecto al año 2011, con un valor de 1,426.6 mil millones de dólares proyectándose también
para el 2016 un incremento del 51.5%, que representaría 2,153.2 millones de dólares como lo
muestra la figura 1.1.2.
FIGURA 1.1.2
FUENTE: http://mim.promexico.gob.mx, “Proyección de Consumo de Vehículos Ligeros para el año 2016 en millones de
dólares” p.p. 7, Octubre de 2013.
Pero si hablamos acerca de la distribución de vehículos ligeros en el mundo, el estudio que
realiza Pro-México indica que la principal región para la venta de unidades fue América con un
52.1% del Total, seguida por, Asia pacífico, Unión Europea y el Resto del Mundo, con el 29.2%,
17.5% y el 1.2% respectivamente como lo muestra la figura 1.1.3 a continuación.
FIGURA 1.1.3
13 FUENTE: http://mim.promexico.gob.mx, “Venta de Vehículos Ligeros por región a nivel mundial” p.p. 8, Octubre de 2013.
Por otro lado las tendencias del sector en los procesos de diseño, fabricación y comercialización
de nuevos modelos, como lo explica Pro-México, muestra una orientación a las alianzas
estratégicas entre los grandes productores con el objeto de satisfacer las necesidades de sus
clientes, que hoy en día esperan diseños innovadores que cautiven su atención, un ejemplo de
estas alianzas es la de Nissan y Renault, fundada en 1999, con objeto de expandirse y crear
nuevos proyectos; hoy en día entre las proyecciones de esta alianza hay una orientación para
2016 de poner en circulación 1.5 millones de vehículos con cero emisiones de CO2, la figura
1.1.4 muestra la situación del mercado en el año 2011 y la proyección para el año 2016.
FIGURA 1.1.4
FUENTE: http://mim.promexico.gob.mx, “Proyección de la Alianza Renualt-Nissan a nivel mundial” p.p. 12, Octubre de 2013.
Y en esta proyección entrarían los vehículos eléctricos y con motor a hidrogeno, quienes
mencionan además, que México es el 8vo mercado de mayor importancia para la alianza con un
27.4% de la participación del mercado, superando al Reino Unido e Italia; donde gracias a los
datos obtenidos de la Secretaría de Economía de México, a través de Pro-México, se anota en el
año 2012 una producción de 2.88 millones de vehículos ligeros, con un incremento del 12.8%
respecto al 2011; pronosticándose para 2016 una producción de 3.7 millones de unidades.
- VEHÍCULOS AMIGABLES CON EL MEDIO AMBIENTE.
Citando el Libro Ecología para el Rescate de la Tierra de Rafael Smith, en la sección de Carros
Ecológicos, se menciona a un coche ecológico y en consecuencia amigable con el medio
ambiente como aquel que brinde un rendimiento de 64 a 128 kilómetros de recorrido por litro de
combustible (gasolina) o que sencillamente omitan el uso de la gasolina; de entre los cuales se
considera como ecológicos a:
- los coches híbridos: que tiene dos motores; un motor eléctrico y un motor convencional
generalmente, motores de combustión interna que se activa cuando el coche sobrepasa un
determinado número de revoluciones.
- los eléctricos: que como su nombre lo indica usan un motor eléctrico mismo que debe ser
enchufado a una fuente de energía por un determinado tiempo para cargar los acumuladores
que proporcionan la energía al motor durante su funcionamiento.
14
- los impulsados por células de hidrógeno: aquellos que a través de la combinación de iones
de hidrógeno y oxígeno generan la electricidad necesaria para el funcionamiento del motor
dando como resultado emisiones de vapor de agua y cantidades muy reducidas de óxidos de
nitrógeno. (Fuente: SMITH, Rafael: Ecología para el Rescate de la Tierra: Carros Ecológicos)
Pero si hacemos referencia al Manual de la Técnica del Automóvil BOSCH, 3ra Edición; se
especifica no el tipo de vehículo, pero si el nivel de emisiones de gases orgánicos sin contenido
de metano o gases de escape, según la Normativa CARB (California Air Resources Board), para
calificar su impacto ambiental, donde tenemos:
- TLEV (Transitorial Low-Emission Vehicle ): Que es una variante de los Vehículos tipo LEV1
aquellos de turismo e industriales ligeros de hasta 6000 libras de peso total admisible con
años de fabricación desde 1993 hasta 2004.
- LEV (Low-Emission Vehicle): En esta categoría además del tipo LEV1 también entran los de
tipo LEV2 con un peso admisible total de 8500 libras que entro en vigencia para todos los
vehículos industriales ligeros y turismos con año de fabricación 2004.
- ULEV(Ultra-Low-Emission Vehicle)
- SULEV(Super Ultra-Low-Emission Vehicle)
- ZEV (Zero-Emission Vehicle): Es decir vehículos sin emisión de gases de escape ni
evaporación.
- PZEV (Partial ZEV): Básicamente equivalente a SULEV, pero con exigencias superiores
cuanto a las emisiones de evaporación.
Para mayor entendimiento de lo mencionado anteriormente, el Manual de la Técnica del
Automóvil explica que estas características o tipos de vehículos se definen así, por sus valores
límite de emisiones permitidas según la Norma CARB; mismo que se muestran en la figura 1.1.5.
FIGURA 1.1.5
15 FUENTE: Manual de la Técnica del Automóvil BOSCH, “Categorías de gases de escape y valores límite de la Normativa CARB
para Turismo” Octubre de 2013.
Haciendo mención de los vehículos amigables con el medio ambiente encajarían en las categorías
LEV, ULEV, SULEV, ZEV y PZEV; esta clasificación otorgada por la Normativa CARB es un
marco de referencia de las normativas Euro que regula también lo niveles límite de emisión de
gases de escape, se debe mencionar además, que existen otras normativas más a Nivel mundial
que regulan los valores límite de emisiones permitidas, pero elegí a la Norma CARB pues fue de
las primeras y la más rigurosa en establecer valores límites en las emisiones de gases de
combustión, estas normas en mención son:
- EPA: Environmental Protection Agency, que rige en los Estados Unidos con excepción de
California donde rige la Norma CARB.
- EU: European Emission-control que como su nombre lo dice rige el área de los países
europeos, que establecen los valores límite en base a mg/km recorrido.
- Normativa Japonesa.
Para un mayor panorama de las normativas que regulan la emisión de gases la figura 1.1.6,
presenta la zona donde se aplican cada una de ellas.
FIGURA 1.1.6
FUENTE: Manual de la Técnica del Automóvil BOSCH, “Zonas de Validez de las diferentes Normativas sobre gases de escape
para vehículo de Turismo” Octubre de 2013.
Por otra parte Pro-México, hace referencia a los vehículos amigables con el medio ambiente
aquellos coches que usen motores diésel, a los vehículos híbridos, a los automóviles eléctricos y a
los vehículos con motores a hidrógeno. Y si hablamos de la Comisión Nacional para el Ahorro de
16
Energía México (CONAE), define a un vehículo hibrido eléctrico (amigable al medio ambiente),
como aquel que combine dos o más sistemas usando dos fuentes de energía diferentes.
(http://www.conae.gob.mx/work/sites/CONAE/resources/LocalContent/466/4/VHE.pdf).
- QUERÉTARO Y EL ITESM
El Instituto de Planeación (IMPLAN) del municipio de Querétaro, encargado de la asesoría y
orientación en el Desarrollo con visión integral y sustentable del Municipio Queretano, a través
de su Plan de Manejo y Conservación de la Zona de Monumentos Históricos de Santiago de
Querétaro, Capítulo II – Diagnóstico, Sección 6.3 – Vialidad y Transporte, Subsección 6.3.4 –
Zonas y puntos de Conflicto, indica las zonas de conflicto más significativos de la movilidad
urbana existente en la actualidad, además de identificar las causas del conflicto; se debe
mencionar que la relevancia de estos datos establece una referencia de las problemáticas actuales
en la ciudad de Querétaro además de que el Gobierno Local ya ha tomado acciones para
corregirlos que a su vez ya están en marcha. Pero en determinado momento pueden establecerse
propuestas del ITESM Campus Querétaro con proyectos orientados a la solución de estas
problemáticas a la mejora de las soluciones establecidas, a través de proyectos específicos
asociados a la utilización de transporte alternativo amigable con el medio ambiente que puedan
ser aplicados en la ciudad. (Fuente: IMPLAN: Productos: Plan de Manejo y Conservación de la
Zona de Monumentos Históricos de Santiago de Querétaro;
http://www.implanqueretaro.gob.mx/index.php)
Por su parte el ITESM – Campus Querétaro a través del esquema de formación académica
propuesta por el Centro de Investigación en Manufactura Avanzada (CIMA), se establece el
programa de Movilidad Urbana, que se basa en la técnica didáctica del Project Oriented Learning
(POL), con el fin de que los estudiantes realicen proyectos dentro de esta temática y que cada
semestre se trabajen sobre problemas específicos que aporten mejores continuas, en la figura
1.1.9 se observan algunos de los proyectos orientados al campo automotriz que se llevan a cabo
en la actualidad.
Entre los principios que se manejan dentro de la Movilidad Urbana el M.C. Romero en su
documento: “Movilidad Urbana – Reseña-VR” menciona:
- Atender las diferentes necesidades de Movilidad: Comodidad, Accesibilidad y Eficiencia para
el beneficio individual, grupal o colectivo es el primer principio que se establece en el
programa de movilidad urbana, y como lo muestra la figura 1.1.8, en el campus ya se utilizan
transportes alternativos y ecológicos, como bicicletas (1) y el trenecito con motor eléctrico
(3), y proyectos terminados como el Velip (2) vehículo alternativo – eléctrico, para la
movilidad interna en el Campus y el proyecto de construcción de un vehículo eléctrico (4),
que como se muestran en la imagen 6 está en marcha, donde se han aprovechado
componentes de un Volkswagen Escarabajo para la elaboración del Chasis y el tren de fuerza
motriz, donde además se sustituyó el Motor de Combustión Interna por Eléctrico y se
desarrolló los controladores, sistema de carga y banco de pruebas para baterías.
17
FIGURA 1.1.7
FUENTE: ROMERO, Víctor, Movilidad Urbana, “Modelos del Programa de Movilidad Urbana en el ITESM Campus
Querétaro”, Octubre de 2013.
- Validación en el ecosistema: El espacio físico del ITESM Campus Querétaro, presenta los
mismos problemas que las grandes ciudades, por lo que existe una excelente oportunidad para
probar y validar aquellas propuestas bajo el concepto de Movilidad Urbana que luego puedan
ser aplicadas a gran escala.
- La Movilidad Como servicio: Servicio para el usuario con accesibilidad a modelos de
movilidad que más le convenga en determinado momento bajo determinadas circunstancias.
- Pensamiento “UPCYCLING”: Desarrollo de metodologías de diseño y procesos de
manufactura flexibles, brindando accesibilidad a bajos costos que durante la producción
generen una huella ecológica mínima, reduciendo el número de componentes, habitables y
adaptables área su uso a costras distancias, y fácil reciclaje el final de su vida útil.
FIGURA 1.1.8
18 FUENTE: ROMERO, Víctor, Cultura de Movilidad Sustentable: Primer Congreso de Movilidad Urbana Sustentable, “Desarrollo
de chasis genérico impulsado por motor eléctrico”, Octubre de 2013.
- AUTOMÓVIL ELÉCTRICO
Los principales componentes que podemos encontrar en un vehículo eléctrico, según el Libro
Automóviles Eléctricos, 1ra Edición de Emilio Larrodé Pellicer; son:
Batería: Depósito acumulador de energía que alimentará el sistema.
Cargador: Carga la batería y es el encargado de transformar la corriente alterna de 220V
obtenida en las tomas a una corriente continua a tensión determinada.
Motor: Motor de corriente continua, con la potencia y torque deseado en función del
diseño y estructura del coche.
Variador: Transforma la corriente continua procedente de la batería en corriente alterna
variable, se lo puede comparar con el sistema de inyección de combustible en un motor de
combustión interna.
Embrague: Los motores eléctricos giran en ambos sentidos, razón por la cual no se suele
instalar embrague, ni la marcha atrás en los vehículos eléctricos.
Reductor: Haría la función de la caja de cambios; donde se debe mencionar que la
potencia en los motores eléctricos, se desarrolla en toda la gama de funcionamiento desde
bajas hasta las altas velocidades, que en cierta forma permite una caja de cambios más
simple, por lo cual esto tipo de vehículos suelen tener una sola marcha, sin embrague y
sin la reversa como se lo mencionó anteriormente; aquí es donde se enfoca el proyecto,
específicamente al diferencial que transmita de manera directa a las ruedas motrices, la
potencia y torque provenientes del motor eléctrico.
Convertidor: Batería pequeña de 12 V de tensión para alimentar, luces, limpiaparabrisas,
etc.
- EL DIFERENCIAL
Haciendo referencia al libro Ingeniería de Vehículos – Sistemas y Cálculos, de Manuel
Cascajosa, 2da Edición, nos dice que el diferencial es el conjunto del tren motriz que permite que
las ruedas del coche giren a diferentes velocidades, en especial cuando el mismo se desplaza a
través de una curva la rueda que esta al interior girará a menor velocidad que la rueda que está en
el exterior de la curva, además hace mención a que el mecanismo diferencial hace una repartición
igual del par motor a las ruedas.
19
1.2 JUSTIFICACIÓN
La realización de este proyecto responde al objetivo planteado en los principios de la Movilidad
Urbana, enmarcado en la mejora continua, en el proyecto de vehículo eléctrico, con el diseño de
un diferencial que transmita el torque desde el motor eléctrico de manera directa al mecanismo
diferencial y a las ruedas, omitiéndose el uso y presencia de la caja de velocidades, reduciendo
espacio y peso; además implícitamente logra generar una configuración motriz, con cero
emisiones contaminantes y evaporación al medio ambiente, es decir, de Tipo ZEV (Zero-
Emission Vehicle) con lo establece la Normativa CARB mencionada anteriormente.
1.2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Lo que se busca es sustentar la idea del proyecto, que como lo señala una de las frases del
Reconocido Ingeniero, Anatomista, Arquitecto, Artista, Botánico, Científico, Escritor, Escultor,
Filósofo, Inventor, Músico, Poeta y Urbanista, Leonardo di ser Piero da Vinci(1452-1519)
“Simplicity is the ultimate sophistication”. La simplicidad es la última de las sofisticaciones. Por
lo tanto al usar elementos ya existentes, como son los componentes de un Volkswagen
Escarabajo la problemática presentada se resuelve enfocando el proyecto al diseño y manufactura
de un diferencial para vehículo eléctrico, eliminándose la presencia de la caja de velocidades, de
manera que la transmisión del torque del motor eléctrico, directamente al mecanismo diferencial
y luego a las ruedas, rediseñando la carcasa del conjunto de la transmisión a un modelo más
simple con las mismas prestaciones de una transmisión convencional; que además reducirá peso y
espacio.
1.2.2 IMPORTANCIA DENTRO DEL CAMPUS
Por otra parte el proyecto motiva a la mejora continua de aquellos proyectos planteados dentro
del concepto de Movilidad Urbana en la solución de situaciones reales durante la elaboración del
producto o sistemas relacionados con el área automotriz.
Además dentro del área automotriz la investigación y desarrollo fomenta una mejora continua,
para reducción de costos de producción, aumento de eficiencia del automóvil y reducción del
impacto ambiental genera una pauta al actual proyecto, proponiendo un modelo de mecanismo
diferencial que transmita directamente el torque del motor eléctrico a las ruedas eliminando la
presencia de la caja de velocidades; aprovechando los elementos mecánicos de un vehículo
Volkswagen Sedán año 92; esto disminuye en esencia el peso y espacio ocupado por la caja de
velocidades, así como también implica el rediseño de la carcasa que alojara el mecanismo
diferencial.
20
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Este proyecto tiene como objetivo general el diseño de diferencial para vehículo eléctrico,
aprovechando elementos mecánicos de auto Volkswagen Escarabajo año 1998, en el Laboratorio
de Movilidad Urbana ubicado en el Centro de Innovación en Manufactura Avanzada (CIMA), en
ITESM, Campus Querétaro; esto se logrará al sustituir el trans-eje del Volkswagen sedán por un
diferencial que aproveche los componentes originales del vehículo sedán, para permitir la
transmisión de torque del motor eléctrico a las ruedas traseras, manteniendo tanto como sea
posible el sistema de sujeción a las flechas de salida que transmiten el movimiento a las ruedas
traseras. Obteniendo como resultado un sistema de transmisión más simplificado.
Para validar el diseño se lo manufacturará, brindando mayor sensibilidad al proyecto y los
resultados obtenidos, entre el modelo teórico y el producto terminado.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Diseñar la carcasa que alojará el mecanismo diferencial, apoyado en el Software Autodesk
Inventor Professional 2014.
- Validar el diseño de la carcasa a través del análisis de elemento finito en los puntos críticos de
apoyo y sujeción, apoyado en el Software Autodesk Simulation Mechanical 2014.
- Presentar el diseño final del mecanismo diferencial, en el Software Autodesk Inventor
Professional 2014.
- Manufacturar la carcasa y ensamblar el conjunto diferencial.
21
2. MARCO TEÓRICO
En esta sección se mencionará de manera general algunos temas que permitan comprender el
proyecto.
2.1 EL TREN DE FUERZA MOTRIZ
El tren de fuerza motriz o tren de potencia como también se lo conoce, es el conjunto de
elementos que se encargan de la transmisión de energía mecánica desde el motor a las ruedas, la
figura 2.1.1 muestra de manera general la constitución del tren motriz de un coche.
El conjunto de elementos que componen el tren de fuerza motriz son:
- 1. Conjuntos del Embrague
- 2. Caja de Transmisión (velocidades)
- 3. Árbol de Transmisión o Cardán para tracción posterior
- 4. Conjunto Diferencial
- 5. Semiejes o Palieres
- 7. Motor de Combustión Interna
- 8. Juntas Cardán
FIGURA 2.1.1
FUENTE: FONT, José. Tratado Sobre Automóviles, Tomo I “Tren de Fuerza Motriz”, Octubre de 2013.
El tren de fuerza motriz puede tener distintos esquemas, de acuerdo al diseño del vehículo, los
diseñadores y constructores presentan estas distintas configuraciones en base a la finalidad, uso o
propósito que se te le dará al automóvil, entre las configuraciones tenemos:
- Configuración Motor Delantero – Tracción Posterior: en este caso la potencia y torque del
motor son transmitidas al eje posterior, además cabe mencionar que la disposición del motor
con respecto a la caja de velocidades es longitudinal.
FIGURA 2.1.2
FUENTE: http://cflandez.wordpress.com/ingenieria-mecanica/, “Tren de fuerza Motriz, Motor Delantero - Tracción
Posterior”. Octubre de 2013.
- Configuración Motor Delantero Transversal – Tracción Delantera: en este caso la
transmisión de potencia y torque se la hace de manera directa a la caja de velocidades y al
conjunto diferencial puesto que todo el conjunto se encuentra ubicado en el eje delantero, lo
que además elimina la presencia del árbol de transmisión.
FIGURA 2.1.3
FUENTE: http://cflandez.wordpress.com/ingenieria-mecanica/, “Tren de fuerza Motriz, Motor Delantero Transversal -
Tracción Delantera”. Octubre de 2013.
- Configuración Motor Delantero – Tracción a las 4 ruedas: en esta configuración la
transmisión de potencia y torque puede ser transmitida a las 4 ruedas, que a diferencia de los
dos casos anteriores solo se transmiten a 2 ruedas, para este caso la particularidad es la
presencia de una caja de reenvío o caja de transferencia encargada de realizar la transmisión
23
4x4, además cabe mencionar que esta configuración también presente dos diferenciales uno
en el eje posterior y otro en el eje delantero.
FIGURA 2.1.4
FUENTE: http://cflandez.wordpress.com/ingenieria-mecanica/, “Tren de fuerza Motriz, Motor Delantero - Tracción 4x4”.
Octubre de 2013.
- Configuración Motor Delantero – Tracción Total: tiene el mismo principio que el caso
anterior, pero es utilizado en vehículos con más de dos ejes, para esta configuración la caja de
transferencia o caja de reenvío es la encargada de transmitir la potencia y torque a los ejes a
través de los árboles de transmisión, esta presentación es muy común en vehículos pesados
como los camiones y en los vehículos de tipo militar.
FIGURA 2.1.5
FUENTE: http://cflandez.wordpress.com/ingenieria-mecanica/, “Tren de fuerza Motriz, Motor Delantero - Tracción Total”.
Octubre de 2013.
- Configuración Motor Central – Tracción Posterior: se caracteriza por la posición central del
motor respecto a los ejes delantero y posterior, seguida de la caja de velocidades y una árbol
de transmisión pequeño, presentación utilizada en algunos vehículos de transporte de
pasajeros como los Ómnibuses.
24
FIGURA 2.1.6
FUENTE: http://cflandez.wordpress.com/ingenieria-mecanica/, “Tren de fuerza Motriz, Motor Central - Tracción Posterior”.
Octubre de 2013.
- Configuración Motor Trasero – Tracción Posterior: aquí el motor está ubicado de manera
longitudinal detrás del eje posterior; para este caso no hay árbol de transmisión, se debe
mencionar que esta configuración está presente en el Volkswagen Escarabajo, conjunto que
se utilizado en la Tesina en el diseño de diferencial para motor eléctrico.
FIGURA 2.1.7
FUENTE: http://cflandez.wordpress.com/ingenieria-mecanica/, “Tren de fuerza Motriz, Motor Trasero - Tracción Posterior”.
Octubre de 2013.
2.1.1 LA CAJA DE VELOCIDADES
Tomando como referencia el libro Tratado sobre Automóviles de José Font y Juan F. Dols
definimos a la caja de velocidades como un conjunto mecánico situado entre el Motor y las
Ruedas cuya función es transmitir la el par motor hacia las ruedas motrices variando el número
de revoluciones que llega desde el motor según las condiciones requeridas e incluso invirtiendo el
sentido de giro; actuando como un conjunto transformador de velocidad y un convertidor
mecánico de par. A continuación la figura 2.1.1.1 muestra un ejemplo de la caja de cambios tipo
manual y sus respectivos elementos.
25
FIGURA 2.1.1.1
FUENTE: FONT, José y DOLS, Juan, Tratado sobre Automóviles, “Componentes de una caja de 5 velocidades”. Octubre
de 2013.
Se debe mencionar los tres tipos de caja de velocidades, y son:
- Caja de velocidades Manual:
De Engranajes Paralelos: básicamente consiste en una combinación de engranajes en
la que todos los ejes son paralelos como la muestra la figura 2.1.1.2 donde la
transmisión del movimiento va desde el eje primario (1) – conductor hacia el eje
secundario (2) – conducido a través de un eje intermediario (3).
FIGURA 2.1.1.2
FUENTE: FONT, José. Tratado Sobre Automóviles, Tomo I “Caja de cambios de ejes paralelos”, Octubre de 2013.
26
- Caja de velocidades Automática:
De Engranajes Epicicloidales: como su nombre lo dice se basan en la utilización de
trenes de un tren de engranajes epicicloidales que con diferentes combinaciones se
obtiene la reducción respectiva para las marchas hacia adelante al igual que la marcha
hacia atrás, y como lo muestra la figura a continuación, se conforman de un engrane
planetario (A), tres y a veces cuatro piñones satélites (B), rodeados por la corona (C)
que esta dentada interiormente, en este caso el eje de entrada (1) se comunica con el
eje de salida (2) a través de la corona, los ejes (3) de los planetarios y de una placa (4)
conectada al eje de salida.
FIGURA 2.1.1.3
FUENTE: FONT, José. Tratado Sobre Automóviles, Tomo I “Representación esquematizada de un Tren Epicicloidal de
Engranes”, Octubre de 2013.
- Caja de velocidades CVT: llamada también caja de cambios variable continua (CVT), y
como se define en el autor Eduardo Águeda Casado, en su libro, Sistemas de Transmisión y
Frenado; la característica de esta transmisión (figura 2.1.1.4) está en que puede cambiar de
forma continua una infinidad de relaciones de cambio entre los valores predeterminados
durante su fabricación donde ya no se produce el escalonamiento de las marchas que tienen
las cajas de cambios manuales, así como las cajas de cambios automáticos.
27
FIGURA 2.1.1.4
FUENTE: CASADO, Eduardo, NAVARRO, José, MORALES, Tomás. Sistemas de Transmisión y Frenado, “Caja de
Cambios CVT de Mercedes Benz”, Octubre de 2013.
2.1.2 EL ÁRBOL DEL TRANSMISIÓN Ó CARDÁN
Si mencionamos la configuración clásica de los coches, recodaremos que en general el motor está
en la parte delantera, seguido de la caja de velocidades donde el par motor debe transmitirse a las
ruedas motrices, que este caso, se encontraban en la parte posterior, para lograrlo se intercala el
árbol de transmisión o cardán, que además debe permitir se siga dando la transmisión
absorbiendo las variaciones de la suspensión y la variación de longitud como consecuencia del
movimiento; en resumen el árbol de transmisión permitirá la transmisión del torque a las ruedas
motrices a determinadas variaciones de longitudes y ángulos durante el funcionamiento.
FIGURA 2.1.2.1
FUENTE: FONT, José y DOLS, Juan, Tratado sobre Automóviles, “Ejemplo de un Árbol de Transmisión”. Octubre de 2013.
28
2.1.3 LA JUNTA CARDÁN
Para lograr satisfacer y solucionar de manera constructiva las variaciones angulares entre el
árbol de transmisión y la caja de velocidades se utilizan las juntas cardán o juntas universales
como más comúnmente se las conoce, mismas que permitirán transmitir el movimiento y los
esfuerzos generados entre el eje de salida de la caja de velocidades y el cardán cuando entre
estos se forma un determinado ángulo.
FIGURA 2.1.3.1
FUENTE: PINTADO SANJUÁN, Plubio, Transmisión, “Ejemplo de Junta Cardán”. Octubre de 2013.
2.1.4 LOS SEMI-EJES O PALIERES
Su función está dirigida a transmitir el movimiento desde los planetarios del grupo diferencial a
las ruedas, se caracterizan por ser dos barras cilíndricas, una para cada rueda, de acero de alta
resistencia.
Citando el libro, Tratado sobre Automóviles, de Font Mezquita y Dols Ruiz; entre los tipos que
podemos encontrar tenemos:
- SEMIEJE PORTANTE O RÍGIDO: Aquí los semiejes están directamente apoyados por sus
dos extremos sobre cojinetes de bolas montados en el cárter del eje trasero.
29
FIGURA 2.1.4.1
FUENTE: FONT, José y DOLS, Juan, Tratado sobre Automóviles, “Semieje Rígido”. Octubre de 2013.
- SEMIEJE SEMI-FLOTANTE: Tiene la misma solución constructiva que el anterior, con la
diferencia que en el extremo que va conectado al diferencial no se apoya directamente sobre
cojinetes, sino es la caja del diferencial la que se apoya por medio de cojinetes sobre el cárter
del eje posterior.
FIGURA 2.1.4.2
FUENTE: FONT, José y DOLS, Juan, Tratado sobre Automóviles, “Semieje Semi-Flotante”. Octubre de 2013.
- SEMIEJE ¾ FLOTANTE: En este caso el extremo que va conectado al diferencial tiene la
misma topología que el anterior, pero el extremo que va sujeto a la rueda se une mediante una
brida o pletina atornillada, siento la rueda la que se apoya sobre el cárter del eje posterior
mediante cojinetes de bolas.
30
FIGURA 2.1.4.3
FUENTE: FONT, José y DOLS, Juan, Tratado sobre Automóviles, “Semieje tres cuartos flotante”. Octubre de 2013.
- SEMIEJE FLOTANTE: El extremo que va conectado al diferencial no varía respecto a los dos
casos anteriores, la diferencia radica en el extremo que va conectado a la rueda, pues esta se
encuentra apoyada sobre el cárter del puente posterior a través de dos cojinetes de rodillos
cónicos.
FIGURA 2.1.4.4
FUENTE: FONT, José y DOLS, Juan, Tratado sobre Automóviles, “Semieje Flotante”. Octubre de 2013.
31
2.1.5 LOS RODAMIENTOS
La empresa SRC distribuidor exclusivo de Amsted Rail Group y National Railway Equipment
Co. en México, establece que la función principal de los rodamientos es reducir al máximo la
fricción entre piezas en movimiento que soporten una carga. (Fuente: SRC México: ¿Que son los
Rodamientos?; http://www.srcmx.com/quienes-somos/quienes_somos.php)
En base al libro Diseño en Ingeniería Mecánica de Shingley, podemos definir de manera general
que los cojinetes están diseñados y fabricados para soportar cargas radiales puras, así como
cargas de empuje puras o una combinación para soportar ambas exigencias.
2.1.5.1 Estructura De Los Cojinetes
- Por Richard G. Budynas y J. Keith Nisbett
En base a lo descrito por los autores del Libro Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley, y la
figura a continuación mostrada, los rodamientos o cojinetes están estructurados de la siguiente
manera.
FIGURA 2.1.5.1
FUENTE http://www.srcmx.com/rodamientos.php, ¿Qué son los rodamientos?, “Estructura de los Rodamientos”. Octubre de
2013.
32
- Por la compañía SRC1
Los rodamientos están estructurados esencialmente por cuatro partes, los que son:
- Un anillo exterior (1).
- Un anillo interior (2).
- La jaula o caja (3).
- Las bolas o elementos rodantes (4).
FIGURA 2.1.5.2
FUENTE http://www.srcmx.com/rodamientos.php, ¿Qué son los rodamientos?, “Estructura de los Rodamientos”. Octubre de
2013.
2.1.5.2 Tipos De Rodamientos2
Para esta sección tanto SRC como SKF distribuidores autorizados de rodamientos, coinciden que
los tipos que se pueden mencionar están no en función de su Diseño, sino en función las
aplicaciones que en su gran variedad son el justificante de los muchos tipos que podemos
encontrar en el mercado; pero en esta sección haré referencia a las distintas variantes que presenta
SKF en su página online:
- http://www.skf.com/skf/support/html/dictionary/dictionary.jsp?dictPage=r&lang=es
De la página mencionada anteriormente se enlistarán los tipos de rodamientos de bolas como lo
indica SKF, con sus respectivas características, tal cual se lo encuentra en la página, debido a que
en el proyecto los rodamientos que se usan en el grupo diferencial de rodamientos de bolas.
1Fuente: SRC México: ¿Que son los Rodamientos?; http://www.srcmx.com/quienes-somos/quienes_somos.php 2Fuente: http://www.skf.com/skf/support/html/dictionary/dictionary.jsp?dictPage=r&lang=es, SKF México, Diccionario SKF;
Tipos de Rodamientos, Noviembre 2013
33
Rodamientos autorregeneradores: El rodamiento VU091 es un nuevo diseño de rodamiento
patentado por SKF (figura), con capacidad integrada para reducir las concentraciones de
tensión causantes de la fatiga y el desgaste en las superficies rodantes. En este diseño, una
bola de acero de un rodamiento rígido de bolas ha sido sustituida por una bola cerámica,
obteniendo así un aumento considerable de la resistencia al desgaste en comparación con los
rodamientos convencionales totalmente de acero. El nuevo diseño VU091 de SKF presenta
claras ventajas en una amplia gama de aplicaciones, como las cajas de engranajes industriales,
la maquinaria de fluidos y las herramientas eléctricas.
FIGURA 2.1.5.3
FUENTE:http://www.skf.com/skf/support/html/dictionary/dictionary.jsp?dictPage=r&lang=es,Rodamientos, “Rodamiento
autorregenerador”. Noviembre de 2013.
Rodamientos de bolas con contacto angular de doble hilera: Los rodamientos de dos hileras
de bolas con contacto angular (figura) presentan dos hileras de bolas colocadas espalda con
espalda. De este modo, las líneas de acción de la carga en el punto de contacto entre bolas y
anillos de rodadura (líneas de carga) divergen en el eje del rodamiento, formando un ángulo
de 30° respecto al plano radial. Por ello, estos rodamientos son especialmente adecuados para
soportar una carga radial y una carga axial de acción simultánea en ambas direcciones.
También están disponibles con obturaciones o placas protectoras.
FIGURA 2.1.5.4
FUENTE:http://www.skf.com/skf/support/html/dictionary/dictionary.jsp?dictPage=r&lang=es,Rodamientos, “Rodamiento de
bolas de dos hileras con contacto angular”. Noviembre de 2013.
34
Rodamiento de Cambio – rodamiento FAG de rodillos cónicos: de tipo despiezable, es decir
el aro interior con la corona de rodillos y el aro exterior pueden montarse por separado, este
tipo de rodamiento absorbe altas fuerzas axiales y radiales
FIGURA 2.1.5.5
FUENTE: http://www.baleromex.com/catalogos/C-FAG.pdf, Rodamientos, “Rodamiento de rodillos cónicos”. Noviembre de
2013.
35
2.2 EL DIFERENCIAL
En esencia el grupo diferencial es el que transmiten el movimiento que proviene desde la caja de
cambios, ya sea a los ejes de las ruedas en el caso de la tracción delantera, o desde el árbol de
transmisión hasta los semiejes, en el caso de la tracción posterior, permitiendo el giro de las
ruedas a distintas velocidades cuando el vehículo toma una curva.
FIGURA 2.2.1
FUENTE: FONT, José y DOLS, Juan, Tratado sobre Automóviles, “Ejemplo de un Mecanismo Diferencial”. Noviembre de 2013.
Entre otras las funciones del diferencial los autores del libro “Tratado Sobre Automóviles”, se
mencionan:
- Al mantener una relación de transmisión única, el grupo diferencial reduce el número de
revoluciones del motor y a la vez aumenta el torque; se menciona además algunas relaciones
(reducciones) de trasmisión, para vehículos de Turismo valores entre 4.93:1 y 2.24:1 lo cual
depende del diseño y marca del vehículo, y en lo que respecta a los coches pesados se pueden
encontrar reducciones de 9:1.
¿Pero cómo determinar la relación de transmisión? Este mismo libro nos menciona una
manera práctica de hacerlo, la cual consiste dividir el número de dientes de la Corona con el
número de dientes del piñón cónico, a continuación figura de estos dos elementos que nos
dará una idea de cómo reconocerlos.
36
FIGURA 2.2.2
FUENTE: FONT, José y DOLS, Juan, Tratado sobre Automóviles, “Ejemplo del trabajo de reducción del mecanismo
Diferencial”. Noviembre de 2013.
- Otra de las funciones que se menciona, es la ya descrita anteriormente, respecto a permitir el
giro de las ruedas a diferentes velocidades, especialmente cuando el coche está tomando una
curva, esto permite que el vehículo no pierda adherencia en la rueda que esta al interior de la
curva; es decir sin que la rueda se arrastre; cuando el coche está realizando un giro, además
de dar estabilidad el mismo, durante esta acción de movimiento.
FIGURA 2.2.3
FUENTE: FONT, José y DOLS, Juan, Tratado sobre Automóviles, “Trayectorias recorridas por las ruedas durante una
curva”. Noviembre de 2013.
37
- Finalmente se habla de la posibilidad de transmitir el giro en otra dirección; esto hace
referencia que cuando se tiene una tracción posterior, el árbol de transmisión es consecutivo
al motor que está en posición longitudinal, donde los palieres o semiejes están en forma
perpendicular por lo cual es necesario un mecanismo por tornillo sin fin; pero se especifica
que este tipo de transmisión hoy en día sólo es necesaria para elevadas reducciones, razón por
la cual es más común encontrarla en los vehículos pesados; a esta se la conoce como
trasmisión angular, que para esta proyecto solo se hará mención en este párrafo.
A continuación se presenta una figura del Diferencial que facilite aún más el entendimiento de las
funciones básicas del mecanismo; la figura 2.2.4 representa los radios de giro del vehículo
cuando este toma una curva, y las siguientes dos figuras, muestran la repartición porcentual de
giro cuando el vehículo está en línea recta (I) y cuando el vehículo toma una curva (D).
FIGURA 2.2.4
FUENTE: FERRER, Julián y DOMINGUEZ, Esteban José, Sistemas de Trasmisión y Frenado, “Radios del Giro del eje durante
una curva”. Noviembre de 2013.
FIGURA 2.2.5
FUENTE: FERRER, Julián y DOMINGUEZ, Esteban José, Sistemas de Trasmisión y Frenado, “Funcionamiento del Diferencial
en línea recta (I), Funcionamiento del Diferencial en una curva (D)”. Noviembre de 2013.
38
2.2.1 TIPOS DE DIFERENCIALES
Citando a los autores Julián Ferrer y Esteban José Domínguez, en su libro, Sistemas de
Transmisión y frenado, los tipos de diferenciales que tenemos son:
2.2.1.1 Diferencial Convencional
Es el más convencional y sencillo y de dientes rectos, y como se muestra en la figura a
continuación está constituidos por:
FIGURA 2.2.6
FUENTE: FERRER, Julián y DOMINGUEZ, Esteban José, Sistemas de Trasmisión y Frenado, “Constitución de un Diferencial
de cuatro satélites”. Noviembre de 2013.
- Carcasa: Fabricada de fundición soporta a los demás elementos, en esta se acoplan la corona
del grupo cónico (figura 2.2.6) y el conjunto diferencial (figura 2.2.7).
FIGURA 2.2.7
FUENTE: CASADO, Eduardo, NAVARRO, José y MORALES, Tomás, Técnicas Básicas de Mecánica y Electricidad, “Grupo
Cónico”. Noviembre de 2013.
39
FIGURA 2.2.8
FUENTE: CASADO, Eduardo, NAVARRO, José y MORALES, Tomás, Técnicas Básicas de Mecánica y Electricidad,
“Mecanismo Dofencial”. Noviembre de 2013.
- Planetarios: Su diente son rectos y cónicos (figura 2.2.8) aquí se acopla los palieres a través
de un estriado en el eje.
FIGURA 2.2.9
FUENTE: FERRER, Julián y DOMINGUEZ, Esteban José, Sistemas de Trasmisión y Frenado, “Piñones Planetarios”.
Noviembre de 2013.
- Satélites: están acoplados a los piñones y deben encajar perfectamente (figura 2.2.9) ellos
transmiten el giro entre los planetarios cuando el coche toma una curva, compensado el giro
entre los planetarios.
FIGURA 2.2.10
FUENTE: FERRER, Julián y DOMINGUEZ, Esteban José, Sistemas de Trasmisión y Frenado, “Piñón Satélite”. Noviembre de
2013.
40
- Rodamientos: Son los de rodillos cónicos como los de la figura 2.1.5.10, puesto que son
capaces de soportar los grandes esfuerzos axiales y radiales que realizan el grupo cónico y
diferencial.
2.2.1.2 Diferencial Controlados
En este tipo tenemos los diferenciales con bloqueo manual y los diferenciales autoblocantes que
se dividen en diferenciales con discos de fricción y diferenciales con conos de fricción y el
diferencial tipo Torsen.
- Diferenciales con bloqueo manual: es el sistema más sencillo, y una de sus mayores ventajas
radica en permitir durante el movimiento del vehículo en línea recta compensar el
movimiento de las ruedas motrices, en situaciones de difícil acceso y suelos deslizantes con
peligro de derrape, en general es tipo de bloque manual está presente en vehículos
industriales, como tractores y camiones así como lo muestran las figuras a continuación.
FIGURA 2.2.11
FUENTE: FERRER, Julián y DOMINGUEZ, Esteban José, Sistemas de Trasmisión y Frenado, “Diferencial de bloqueo manual”.
Noviembre de 2013.
41
FIGURA 2.2.12
FUENTE: FERRER, Julián y DOMINGUEZ, Esteban José, Sistemas de Trasmisión y Frenado, “Sistema de activación del
diferencial de bloqueo manual”. Noviembre de 2013.
- Diferenciales Autoblocantes: como su nombre nos indica, este tipo de diferenciales se activa
automáticamente, es decir, sin la intervención del conductor y como ya lo mencionamos
anteriormente se dividen en dos tipos:
Con discos de fricción o track -lock: en este tipo de diferenciales, la torsión de la
corona es transmitida a través del conjunto de embragues que están conectados a los
satélites; como lo muestra la figura; es decir cuando el coche está circulando por áreas
de poca adherencia una de las ruedas motrices perderá agarre lo que implicará una
mayor transmisión de fuerza a la otra rueda activando el conjunto de discos de esta,
hasta el punto de bloqueo, lo cual hará que el mecanismo funcionen como uno de
bloqueo manual transmitiendo la misma velocidad y fuerza para amabas ruedas, se
debe indicar que una de las desventajas es que este no permite movimiento bruscos ni
prolongados.
42
FIGURA 2.2.13
FUENTE: FERRER, Julián y DOMINGUEZ, Esteban José, Sistemas de Trasmisión y Frenado, “Componentes del Diferencial
Autoblocante por discos de fricción”. Noviembre de 2013.
Con conos de fricción: al igual que el anterior, es un diferencial de deslizamiento
limitado, o como generalmente se lo conoce por sus siglas en Inglés LSD, en este caso
cuando hay una pérdida de adherencia en una de las ruedas, a través de un cono de
fricción que cumple una función similar a los de discos de fricción, cuando hay pérdida de
adherencia de una de las ruedas, este tipo de diferencial a través de un cono de fricción;
como lo muestra la figura; transmite el par a la rueda con mayor adherencia, donde el
cono se vuelve solidario a la caja del diferencial de manera que se transmita la misma
velocidad a las ruedas, se debe mencionar que cuando el par supera el valor determinado
en función de su diseño, el cono resbalará y se perderá el efecto de bloqueo.
FIGURA 2.2.14
FUENTE: FERRER, Julián y DOMINGUEZ, Esteban José, Sistemas de Trasmisión y Frenado, “Componentes del Diferencial
Autoblocante por conos de fricción”. Noviembre de 2013.
43
- Diferencial Torsen: en este sistema la reparticipon de fueza proviniente de la caja de cambios,
se reparte de manera proporcinal a la adherencia que el neumético tenga con el suelo; es decir
que mientras mayor adherencia del neumático exista, mayor será el par transmitido a la rueda
respectiva, y al igual que un diferencial de dientes rectos permite compensar el giro de las
ruedas durante uan curva. La peculiaridad de este diferencial, recae en la forma de sus
elementos mecánicos, que como lo muestra la figura 2.2.15 esta constituido por dos
planetarios de tipo tornillo sin fin, que estas conectadps a los palieres, tiene tres pares de
satélites, de dentado helicoidal para permitar el acople con los planetarios y además poseen
un dentado recto en su extramo que permite el engrane con su pareja – planetario.
FIGURA 2.2.15
FUENTE: FERRER, Julián y DOMINGUEZ, Esteban José, Sistemas de Trasmisión y Frenado, “Componentes del Diferencial
tipo torsen”. Noviembre de 2013.
2.2.2 MANTENIMIENTO Y DIAGNÓSTICO DEL GRUPO DIFERENCIAL
Puesto que el mecanismo diferencial utilizado para este proyecto es un vehículo VW Escarabajo
se recomienda muy atentamente, verificar los respectivos pasos para el mantenimiento,
verificación, diagnóstico del mecanismo diferencial del Volkswagen Escarabajo, presenta en el
Manual para el Taller CECSA para Volkswagen Series 1100, 1200, 1200A, 1300 y 1500; en la
sección: Parte 2.- Caja de transmisión tipo túnel de una sola pieza, apartados del 8 al 15, páginas
133 a la 147; manual que se especifica en la sección de la bibliografía del presente documento.
44
2.3 LUBRICANTE
Respecto a lo que concierne al tema del lubricante se dará una breve explicación dela misión y
funciones básicas de un lubricante para luego entrar directamente al lubricante usado en el
mecanismo diferencial, cabe mencionar que el proyecto no está orientado a una especificación
minuciosa de los pasos a seguir para le selección del lubricante pero si de breves descripciones
que faciliten y oriente al lector por qué el tipo de lubricante.
Tomando como el libro Tribología: Ciencia y Técnica para el Mantenimiento, de Francisco
Martínez; se concluye que todo superficie metálica que entre en contacto y tiene movimiento
entre sí, genera fricción, temperatura y a la vez desgaste de los elementos entre los puntos que
están en contacto directo; como lo muestra la figura 2.3.1; lo cual reduce la vida útil de los
elementos.
FIGURA 2.3.1
FUENTE: GROOVER, Mikell P, Fundamentos de Manufactura Moderna, “Fricción y Desgaste de superficies metálicas en
contacto directo”. Noviembre de 2013.
Por lo tanto el principio tribológico de la Lubricación es reducir al máximo la fricción entre las
superficies en contacto, creando una fina película entre las superficies en contacto; como la indica
la figura continuación.
FIGURA 2.3.2
FUENTE: GROOVER, Mikell P, Fundamentos de Manufactura Moderna, “Lubricación con película fluída”. Noviembre de 2013.
45
Como consecuencia las funciones principales del lubricante deben estar dirigidas, a reducir la
fricción y en consecuencia el desgaste, reducir la temperatura, además puede refrigerar, limpiar y
cerrar herméticamente los lugares donde se da el rozamiento.
2.3.1 LUBRICANTE PARA EL CONJUNTO DIFERENCIAL
En esencia el tipo de lubricante lo recomienda el fabricante, pero se debe mencionar que las
especificaciones del fabricante están en función de la Normativas vigentes por ejemplo la figura
2.3.3 a continuación nos muestra los grados de viscosidad según la Norma SAE para engranajes;
pero antes se definirá lo que es la viscosidad y el índice de viscosidad que oriente de mejor
manera la elección del lubricante.
- Viscosidad: Medida del rozamiento internos de las substancias. Es la resistencia que ponen
las partículas a la fuerza que trata de desplazarlas. DIN 1342 – 51550 (Fuente: Manual de la
Técnica del Automóvil, BOSCH, Editorial REVERTÉ S.A.)
- Índice de Viscosidad: Número obtenido por cálculo que caracteriza la variación de la
viscosidad de un producto de aceite mineral por variación de la Temperatura; es decir cuanto
mayor es este índice menor es la influencia de la Temperatura en la viscosidad. DIN ISO
2909 (Fuente: Manual de la Técnica del Automóvil, BOSCH, Editorial REVERTÉ S.A.)
FIGURA 2.3.3
FUENTE: Manual de la Técnica del Automóvil, BOSCH, “Grados de Viscosidad SAE para aceites de engranajes, SAE J306,
Octubre 1991” Noviembre de 2013.
46
En conclusión el tipo de lubricante que se recomienda utilizar para este grupo diferencial es el:
“API GL-4 SAE 75W90”
A continuación se enlista cada uno de los términos antes mencionados especificando el
significado de cada uno de ellos:
- API: La cámara argentina de Lubricantes nos facilita una breve descripción del significado
API, y define a este como, American Petroleum Institute - Instituto Americano del Petróleo,
organización encargada de establecer la calidad del aceite, es decir certifica loas aceites que
se comercializan (Fuente: http://www.cal.org.ar/clasificacion.pdf, Clasificación API)
- GL-4: Sus siglas significan Gear Lubricant, esta categoría designa el tipo de características de
servicio de los engranajes cónicos espirales e hipoides en los ejes automotrices que funcionan
con velocidades y cargas moderadas. Estos aceites se pueden utilizar en transmisiones
manuales y aplicaciones de trans-eje seleccionadas (Fuente:
http://espanol.lubrizol.com/DrivelineAdditives/AutomotiveGearOil/GL5.html, Categoría API GL –
4)
- SAE: Society of Automotive Engineers. Esta clasificación permite establecer con claridad y
sencillez la viscosidad de los aceites, representando cada número SAE un rango de viscosidad
expresada en cSt (centi-Stokes) y medida a 100 ⁰C, y también a bajas temperaturas (por
debajo de 0 ⁰C) para los grados W (winter) (Fuente: http://www.cal.org.ar/clasificacion.pdf,
Clasificación SAE)
- SAE 75W90: W significa Winter; es decir invierno en inglés; 75W significa la facilidad con la
que puede ser bombeado el aceite a bajas temperaturas; 90 significa el grado de viscosidad
del aceite a la temperatura de operación del mecanismo (Fuente:
http://especiales.autocosmos.com.mx/tipsyconsejos/noticias/2011/02/14/que-significan-las-letras-sae-
api-y-w-en-los-aceites-para-auto, Significado del número 75W90)
47
3. DESARROLLO
El presente capítulo muestra los pasos a seguir para la elaboración del Diseño del nuevo modelo
del tren de fuerza motriz según los requerimientos prescritos, los cuales establecen que el
conjunto final se compone de un nuevo modelo de la Carcasa que alojara el conjunto diferencial
para la transmisión de potencia del motor eléctrico al Diferencial y consecuentemente a las
ruedas motrices.
El elemento propulsor del tren motriz es un Motor eléctrico tipo HPVES AC 50, como lo muestra
la tabla; se adjunta también a la figura 3.1 donde se visualiza los rangos máximos de torque y
potencia del motor y se debe mencionar también que debido al cambio en la configuración
original del tren de fuerza motriz, el mando de las velocidades del vehículo se da a través de
componentes electrónicos instalados anteriormente con objeto de cumplir la función de la caja de
velocidades, conjunto al que solo se hace mención.
TABLA 3.1
DATOS TÉCNICOS DEL MOTOR
Potencia
Pico a pico 52 HP(Horse Power)
Continua 15 HP
RPM máximas 6500
Voltaje 95 Volts
Temperatura 120 ⁰C max
Torque Máximo 163.4 N.m (Newton.metro) a
125 – 130 rpm
FUENTE: El Autor, Valores Técnicos del Motor Eléctrico obtenidos de los datos especificados por el fabricante, Febrero 2014.
48
FIGURA 3.1
FUENTE: http://hpevs.com/power-graphs-ac-50.htm, Graficas de Potencia – Torque – Voltaje del Motor Eléctrico, Noviembre
2013.
Por otra parte, tal como lo muestra la figura 3.2 esquemática a continuación se muestra el
esquema del estado actual de los componentes vs. El diseño final al que se llega. Se debe
mencionar también que los componentes utilizados para el nuevo modelo son parte del tren
motriz de un Volkswagen Escarabajo año 92, donde se omite la caja de velocidades y el
embrague; como lo muestra en la figura que se señala los elementos del conjunto original que se
utilizan en el nuevo diseño.
49
FIGURA 3.2
FUENTE: Volkswagen Werk AG - Wolfsburg, Manual de Instrucciones y Carnet de Mantenimiento del VW 1300 A – VW 1300
– VW 1500 Sedán y Cabriolet, Vista Seccionada del Motor, Embrague y Caja de Velocidades del Volkswagen Escarabajo,
Imagen esquemática que muestra los elementos del Diseño actual y del Nuevo Diseño a obtenerse ,Febrero 2014.
En lo que respecta al material que se usa para la carcasa es el Aluminio 6061; entre los usos más
frecuentes está la fabricación de componentes de chapa conformada y/o soldada, también piezas
mecánicas, camiones, torres, canoas, vagones, muebles, cañerías y ya habla de la facilidad que
permite el material a la soldabilidad, la buena resistencia a la corrosión y la resistencia mecánica
que lo hace ideal para estructuras; información que se menciona en la página oficial de la
empresa Delmetal, elegida de forma aleatoria para la obtención de información acerca del
Aluminio para los respectivos cálculos que se muestran posteriormente.
Ya entrando en el diseño, la figura 3.3, representa la modificación que se realiza en el grupo
diferencial, donde se muestra la disposición original (a) del eje de salida y la disposición que
50
tiene el eje en el nuevo diseño (b), con el objeto de facilitar el entendimiento del cambio de
posición realizado al eje piñón en el nuevo diseño, que trasmitirá el poder del motor eléctrico
hacia las ruedas motrices; el cambio realizado en el eje es de 180⁰ en el eje X, cambio de
posición que no afecta el correcto contacto entre el dentado del piñón con la corona.
FIGURA 3.3
FUENTE: El Autor, Conjunto Diferencial, disposición original del eje (a) y disposición actual (b) en el nuevo Diseño, Febrero
2014.
Finalmente el nuevo diseño consta de una carcasa, un grupo diferencial, dos rodamientos de
apoyo para los ejes, un rodamiento para la fecha piñón, un motor eléctrico, un placa soporte para
el motor eléctrico, cuatro barras de apoyo para la placa soporte del motor y cople mecánico para
la transmisión de poder entre el eje motor y el eje del piñón; también se adjunta al diseño un
cople de acero para la conexión entre el eje del motor eléctrico con el eje piñón de la transmisión;
conjunto motriz que se coloca en la estructura – chasis actual, debe saberse que toda la estructura
se soporta a través de uniones mecánicas como requisito establecido para el nuevo diseño, por lo
que no se usa soldadura de ningún tipo; la figura 3.4 a continuación muestra un esquema sencillo
de la configuración final que se obtiene con el nuevo diseño.
51
FIGURA 3.4
FUENTE: El Autor, Tren de Fuerza Motriz, Representación esquemática de la configuración final del Proyecto, Febrero 2014.
3.1 PROCESO DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
Esta sección representa los pasos a seguirse durante la elaboración del diseño, para
posteriormente manufacturarlo en el centro de Maquinados del CIMA.
La finalidad de esta sección es mostrar la secuencia a seguir durante la elaboración del diseño
para el nuevo modelo del tren de fuerza motriz en función de los requerimientos mencionados
anteriormente; los pasos siguientes muestran la secuencia para el diseño y construcción de la
carcasa de Aluminio y el Cople:
DISEÑO
a. Levantar y especificar dimensiones, así como el número de elementos actuales
b. Elaborar el boceto burdo
c. Elaborar el boceto de la carcasa, barras de sujeción y placa soporte para el motor eléctrico, en
Autodesk Inventor 2014.
d. Analizar los esfuerzos producidos en las zonas críticas de la carcasa, barras de sujeción y
placa soporte para el motor eléctrico para luego y realizar la simulación en Autodesk
Mechanical Simulation 2014.
52
MANUFACTURA Y ENSAMBLE
e. Usar el Software Edgecam para el desarrollo del programa de cada uno de los elementos a
maquinar.
f. Elaborar la hoja de proceso para el maquinado de las piezas
g. Maquinar las piezas para el ensamble de la carcasa
h. Verificar dimensiones y ensamblar las piezas maquinadas.
3.1.1 ESTABLECER EL DISEÑO CONCEPTUAL PARA LA MODIFICACIÓN
ACTUAL DEL TREN MOTRIZ DEL VEHÍCULO SEGÚN LOS
REQUERIMIENTOS PRESCRITOS.
En esta sección se establece el estado actual de la geometría general del Tren Motriz y los
posibles cambios a darse, de forma que se acoplen a los requerimientos prescritos
anteriormente, los mismos que están orientados a una modificación que permita la
transmisión del Poder (Potencia - Torque) del motor eléctrico de manera directa al grupo
diferencial y a su vez a las ruedas Motrices; lo cual omitiría físicamente la presencia del
Conjunto del Clutch (Embrague), así como el conjunto de engranes, encargados del
cambios de marchas o velocidades del coche.
Para este punto se debe recordar que anteriormente con la presencia de las velocidades o
marchas, se transmitían el Poder (Torque - Potencia) del Motor a distintas relaciones de
transmisión según lo requerido por el usuario, ayudado mecánicamente por el conjunto de
la transmisión compuesto del Embrague y la Caja de Velocidades, y debido a que la caja
de transmisión maneja un diseño actual para la obtención de 4 velocidades más la reversa.
Además como se menciona en la parte inicial de este capítulo la Potencia del motor
eléctrico es de 52 HP pico a pico y 15 HP continua con un Torque máximo de 163.4 N.m
a 130 rpm, valores que más adelante serán utilizados para el respectivo cálculo de
esfuerzos en el nuevo diseño. Establecidas las condiciones iniciales y actuales, se procede
a evaluar los nuevos requerimientos:
- Utilizar tanto como sea posible el sistema de bridaje actual, así como cada uno de los
elementos mecánicos existentes.
- Modificar el Tren Motriz, suprimiendo la Caja de Velocidades, y el Conjunto del
Clutch (Embrague); debe recordarse que actualmente el tren de fuerza motriz es
posterior y esta configuración se mantendrá en el nuevo modelo. La transmisión del
Poder de Motor Eléctrico se dará directamente desde la flecha de salida del motor a la
flecha que conecta el piñón con la corona y el grupo diferencial hasta las ruedas
motrices.
53
Establecidos los parámetros anteriormente descritos se determina el nuevo diseño de la
Carcasa para el alojamiento del Grupo Diferencial, aprovechando la geometría original de
la carcasa obteniendo un modelo más simplificado en peso y espacio, debe recordarse que
no se usa soldadura de manera que las juntas - uniones son mecánicas.
3.1.2 LEVANTAR Y ESPECIFICAR DIMENSIONES ACTUALES, ASÍ COMO EL
NÚMERO DE ELEMENTOS ACTUALES.
En esta sección se verifica la ubicación actual del motor eléctrico así como la ubicación
de los elementos de la transmisión montado en el chasis del coche; las imágenes a
continuación muestran las dimensiones del estado actual de los elementos; entre las más
importantes se definen:
La distancia del motor eléctrico respecto a las ruedas.
Las distancias del motor con respecto al piso.
La distancia del motor respecto a la transmisión.
Las dimensiones de cada uno de los puntos de ajuste y acoplamiento del motor
con la transmisión.
La figura a continuación muestra brevemente las dimensiones que se tomaron como
importantes para el nuevo modelo.
FIGURA 3.1.2.1
FUENTE: El Autor, Dimensiones actuales del motor (eje) respecto a las ruedas y al piso, Enero 2014
Determinadas las dimensiones mencionadas se establece el número de elementos actuales,
así como el número de elementos que conforman el nuevo diseño, se menciona que se usa
aproximadamente el 50% de los componentes actuales mismos que serán
complementados con el nuevo modelo luego de la respectiva modificación, según los
requerimientos establecidos, y se enlistan en la tabla siguiente:
54
TABLA 3.1.1
ELEMENTOS DEL TREN MOTRIZ
Actuales Nuevo Diseño
2 Rodamientos de Bolas x
2 Engranes Satélites x
2 Engranes Planetarios x
2 Paliers (Ejes de las Ruedas) x
2 Fundas Metálicas para los ejes de las
ruedas.
x
2 Tapas Auxiliares de la Carcasa x
1 Engrane Corona x
1 Piñón Cónico Helicoidal Hipoidal x
1 Eje Primario (Entrada)
1 Eje Secundario (Salida)
1 Eje Intermediario (Intermedio)
1 Conjunto de Embrague (Clutch)
1 Carcasa x
1 Tapa de Engranes de la Caja de
Velocidades
1 Tapa de alojamiento de las varillas
selectoras
1 Conjunto de Engranes de la
transmisión de 4 velocidades
1 Elemento centrador piñón cónico x
1 Masa para la sujeción del Motor
Eléctrico.
x
FUENTE: El Autor, Elementos del Tren Motriz, Tabla lista de elementos Actuales y los elementos del Nuevo Diseño, Enero
2014.
Por otra parte en conjunto con el levantamiento de las medidas respecto a la ubicación del
conjunto de la transmisión y el Motor en la estructura del vehículo, también se hace la
medición interna para la ubicación de elementos en el grupo diferencial, el objeto de este
55
proceso es aprovechar al máximo la geometría original del diseño para el acoplamiento y
elaboración del nuevo diseño de la Transmisión así como de la Carcasa según los
requerimientos establecidos inicialmente; es importante recalcar que esta obtención de
medidas permite elaborar cada uno de los dibujos 2d y 3d de la carcasa; adjuntos a los
anexos; asegurando también el correcto acoplamiento del conjunto diferencial en la
carcasa nueva, la figura 3.1.2.2 muestra la zona donde se aprovecha la geometría original
para establecer las dimensiones del nuevo diseño.
FIGURA 3.1.2.2
FUENTE: El Autor, Carcasa de la Caja de Cambios del VW Escarabajo, Área original que se utiliza para dimensionamiento del
nuevo diseño, Enero 2014.
3.1.3 DISEÑO.
56
En esta parte se desarrollan bocetos burdos guía para la elaboración del Diseño nuevo de la
carcasa, así como también se establece la geometría que se acoplará a la estructura – chasis,
actual donde el aloja el tren motriz; se debe especificar que estos bocetos son borradores que
servirán para la representación en el Software Autodesk Inventor; de los cuales solo se hace
mención; tal como le muestra la figura 3.1.3.1
FIGURA 3.1.3.1
FUENTE: El Autor, Diferencial para Vehículo Eléctrico, Modelo Final del conjunto Carcasa y Motor Eléctrico, Enero 2014.
En la figura anterior, se observa las barras de sujeción en conjunto con la placa donde se soporta
el motor eléctrico, dimensiones acopladas a los requerimientos del sistema y a las capacidades
dimensionales del centro de Maquinados del CIMA.
3.1.3.1 Bosquejos en Autodesk Inventor
La elaboración del boceto final se logra a través de varias verificaciones y cambios que se van
ajustando poco a poco al Diseño final que cumplirá con los requerimientos establecidos, mismo
que se lo realiza antes en papel con el objeto de tener una mejor visualización de las dimensiones
que serán colocadas, facilitando el dibujado en el Software Autodesk Inventor 2014. Además se
realiza uno a uno los elementos que conformaran el diseño, para consiguientemente realizar el
respectivo ensamble de los mismos. Las características del material utilizado para la elaboración
de la carcasa se muestra a continuación en la figura 3.1.3.1.1
57
FIGURA 3.1.3.1.1
FUENTE: http://www.delmetal.com.ar/home.html, Propiedades del Aluminio 6061, Marzo 2014.
Las figuras a continu8ación muestran el modelo en 3D cada una de las parte-elementos del
diseño, y en lo que respecto a los modelos en 2D, se adjuntan en los Anexos del presente
documento:
TAPA SUPERIOR:
FIGURA 3.1.3.1.2
FUENTE: El Autor, Diferencial para Vehículo Eléctrico, Tapa Superior de la carcasa del Diferencial, Enero 2014.
Las medidas esta establecidas para la tapa superior son 250mm x 135mm x 20mm, la medida de
los agujeros es de 8 mm de diámetro, se debe mencionar que los valores del largo y ancho fueron
establecidos de acuerdo a las capacidades longitudinales disponibles en los centros de maquinado
del CIMA, por otra parte en lo que respecta a los valores del espesor de la tapa así como los
58
diámetros de los orificios, se las selecciona en función de la geometría del diseño original de la
carcasa de la caja de velocidades.
TAPA INFERIOR:
FIGURA 3.1.3.1.3
FUENTE: El Autor, Diferencial para Vehículo Eléctrico, Tapa Inferior de la carcasa del Diferencial, Enero 2014.
Al igual que el elemento anterior las dimensiones del largo y ancho se definen en función de las
capacidades disponibles en el centro de maquinados y el espesor así como los agujeros en función
de la geometría del Diseño original, además esta tapa cuenta con el orificio para el drenado del
lubricante.
TAPA LATERAL IZQUIERDA Y DERECHA:
FIGURA 3.1.3.1.4
FUENTE: El Autor, Diferencial para Vehículo Eléctrico, Tapa lateral izquierda y derecha de la carcasa del Diferencial, Enero
2014.
59
Este elemento se diseña bajo los mismos parámetros establecidos y señalados con los dos
elementos anteriores; pero la particularidad de este elemento es que el agujero más grande de
189mm se lo estableció en base a la medida de la tapa original lateral de la carcasa de la caja de
velocidades del Volkswagen Escarabajo, al igual que el número de agujeros para los pernos de
sujeción de la tapa original que será superpuesta a la tapa en mención como lo muestra la figura a
continuación.
FIGURA 3.1.3.1.5
FUENTE: El Autor, Diferencial para Vehículo Eléctrico, Tapas laterales (dorado) – Tapas Originales (verde), Enero 2014.
TAPA LATERAL DELANTERA:
Siguiendo la misma configuración y requerimientos que los elementos anteriores, la tapa
delantera está ubicada como se muestra en la figura (color rojo), respetando la geometría original
de la carcasa para el correcto alojamiento del grupo diferencial.
FIGURA 3.1.3.1.6
FUENTE: El Autor, Diferencial para Vehículo Eléctrico, Tapas delantera, Enero 2014.
60
TAPA PIÑÓN:
En base a la configuración y requerimientos mencionados se dimensiona la tapa piñón para el
correcto acoplamiento con los otros elementos de la carcasa, como lo muestra la figura a
continuación.
FIGURA 3.1.3.1.7
FUENTE: El Autor, Diferencial para Vehículo Eléctrico, Tapas piñón, Enero 2014.
La particularidad de este elemento es que además de los 4 agujeros que permiten la sujeción y
acoplamiento con las otras tapas de la carcasa hay un agujero de 75 mm de diámetro que aloja el
rodamiento ubicado entre el piñón y el eje como lo muestra la imagen, además tiene 4 agujeros
M10 colocados alrededor del agujero central con la función de fijar la placa original de fijación
del eje piñón encargada de mantener el acoplamiento permanente en la corona y el piñón;
finalmente hay 4 agujeros de ½ pulgada donde se sujetan las barras de acoplamiento con la placa
donde se sujeta el motor eléctrico; mismas que se muestras en el anexo 10. Finalmente en el
Anexo 10 muestra el modelo final de la carcasa en conjunto con el motor eléctrico, del nuevo
diseño realizado en Autodesk Inventor 2014.
3.1.4 MANUFACTURA Y ENSAMBLE.
En esta sección se hace rápida mención del proceso de manufactura; es decir para la construcción
de las piezas en el centro de maquinados del CIMA; además cabe indicar que en los anexos de
este documento se presentan las respectivas hojas de proceso de cada una de las piezas de la
carcasa, así como la hoja de proceso de las barras cilíndricas. La figura 3.1.4.1 es una fotografía
de las piezas finales junto a la carcasa original.
61
FIGURA 3.1.4.1
FUENTE: El Autor, Carcasa Diferencial para Vehículo Eléctrico, Piezas del nuevo diseño de la carcasa junto a la carcasa
original, Marzo 2014.
Por otra parte la figura 3.1.4.2 muestra la carcasa original y junto a ella, el nuevo diseño para la
carcasa que aloja el grupo diferencial. el pre-ensamble de las piezas, con el objeto de visualizar la
configuración del nuevo diseño.
FIGURA 3.1.4.2
FUENTE: El Autor, Carcasa Diferencial para Vehículo Eléctrico, “Fotografías de la carcasa original junto al nuevo diseño de la
carcasa”, Abril 2014.
62
A continuación la figura 3.1.4.3 muestra dos fotografías de un pre-ensamble del diseño en
general.
FIGURA 3.1.4.3
FUENTE: El Autor, Carcasa Diferencial para Vehículo Eléctrico, pre-ensamble, Marzo 2014.
63
4. RESULTADOS
En este capítulo se presentan los resultados obtenidos durante el análisis de esfuerzos en los
puntos críticos de la estructura, mismo que se divide en una sección de cálculos de los
esfuerzos y una sección dedicada al análisis de elemento finito realizado en el Software
Autodesk Mechanical Simulation 2014, por último se hace una breve comparación entre los
resultados obtenidos durante los cálculos y los resultados que se obtiene a través del software.
4.1 ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN LAS ZONAS CRÍTICAS DE LA
ESTRUCTURA.
Para esta sección, se inicia con identificar las zonas más críticas de la estructura, es decir las
zonas donde se dará la mayor cantidad de esfuerzos y luego elegir el orden en el que se
analizarán, empezando por la zona más crítica como se enlista a continuación:
Esfuerzos en la Placa Piñón.
Esfuerzos en las Tapas laterales.
Esfuerzos en los pernos de las barras de sujeción.
4.1.1 ESFUERZOS EN LA TAPA PIÑÓN.
El análisis de la placa piñón es el más crítico, específicamente en los pernos de la placa de
fijación del eje piñón. Para la obtención de estos esfuerzos es necesario realizar el cálculo
que se suceden en el interior de los elementos del grupo diferencial, ya que el Torque de
163.4 N.m (Newton - metro) que entrega el motor eléctrico será transmitido al eje piñón,
mismo que en el punto de contacto entre los dientes del piñón cónico hipoidal y la corona
del diferencial generan fuerzas de tres tipos, tangencial, radial y axial que para este caso
de análisis se toman en cuenta como críticas las fuerzas radiales y axiales, mismas que
son transmitidas hacia el rodamiento y a su vez a la placa de fijación y a sus respectivos
pernos, establecido esto se procede al cálculo de las mismas; la figura 4.1.1.1 muestra la
zona de análisis de los esfuerzos mencionados al igual que las reacciones de la placa y el
perno frente a este suceso, por otra parte la figura 4.1.1.2 muestra los esfuerzos que se
trasmiten al perno debido al torque motor y la orientación de los mismos; por último se
debe mencionar que todos los esfuerzos calculados están expresados en Mega Pascales
[MPa].
64
FIGURA 4.1.1.1
FUENTE: El Autor, Carcasa Diferencial para Vehículo Eléctrico, Esfuerzos que suceden en los pernos de sujeción de la placa de
fijación del eje piñón, Enero 2014.
FIGURA 4.1.1.2
FUENTE: El Autor, Esfuerzos en la Tapa Piñón, Momento Motor producido en el eje Piñón y esfuerzo generado en el perno de
la placa de fijación del eje piñón, Enero 2014.
65
Para el análisis de esfuerzos en este punto, una vez más la siguiente figura muestra la
acción de las fuerzas sobre este.
FIGURA 4.1.1.3
FUENTE: El Autor, http://www.ies9021.com.ar/?attachment_id=1085 , Esfuerzos en la Placa de fijación del eje piñón, Reacción
de los elementos ante la fuerza aplicada, Enero 2014.
Cabe recalcar que el momento producido por el torque que se genera en el eje piñón es el
que ocasiona el esfuerzo tensor en los pernos de la placa de fijación del eje piñón.
Se procede con:
Cálculo del área de estrés del perno:
La figura representa el área de estrés.
FIGURA 4.1.1.4
FUENTE: NORTON, L. Robert, Diseño de Máquinas, Perfil de la cuerda estándar e ISO de los pernos, Enero 2014.
Los pernos usados son M10x20, mismo que soportan un torque de
163.4N.m, a continuación se presenta el cálculo del área de estrés donde
tienen impacto los esfuerzos generados por el torque motor mencionado y
la figura donde se muestran los valores de las áreas para tornillos métricos
66
como orientación para el diseñador al momento de elegir el perno más
adecuado.
FIGURA 4.1.1.5
FUENTE: NORTON, L. Robert, Diseño de Máquinas, Dimensiones principales de cuerdas para tornillos métricos, Enero 2014.
Cálculo de la fuerza cortante y del esfuerzo tensor, que actúan sobre el
perno, en base a la figura que se muestra a continuación se obtienen los
respectivos cálculos para la obtención de los esfuerzos mencionados
anteriormente.
67
FIGURA 4.1.1.6
FUENTE: Budynas, R. y Nisbett, J., Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley, Representación del grupo cónico y diferencial y
diagrama de cuerpo libre adecuado a las dimensiones de los elementos del proyecto, Enero 2014.
o Cálculo del ángulo de paso:
o Cálculo de la velocidad de radio de paso:
68
⁄ ⁄
o Cálculo de la carga transmitida:
o Cálculo de la carga producida en el eje z positiva equivalente a las
cargas radial y axial (el ángulo de 35⁰ es el ángulo de contacto entre los
dientes deli piñón y los dientes de la corona, en general los ángulos que
se usa para el diseño son de 25⁰ y 35⁰, y por condiciones de diseño se
establece que mientras mayor sean las cargas mayor es el ángulo, es
base a ese criterio se elige el ángulo de 35):
Radial:
Axial:
o Determino el vector W:
o Cálculo del de Posición desde el punto D hasta el punto G:
o Cálculo del vector desde el punto D hasta el punto C:
69
o Calculo de la sumatoria de Momentos mediante producto cruz:
Por lo tanto:
o Calculo de las fuerzas en los punto C y D:
( )
Por lo tanto:
o Cálculo del Esfuerzo tensor en el perno:
o Cálculo del Esfuerzo Cortante:
70
⁄
El esfuerzo de Von mises se calcula mediante la fórmula a continuación:
Para este caso no hay esfuerzo en (x), y solo se tiene el esfuerzo en (y), por lo tanto la fórmula se
reduce a:
√
√
4.1.2 ESFUERZOS EN LOS PERNOS DE LAS BARRAS DE SUJECIÓN.
Los puntos críticos analizar son los pernos que atraviesan las barras de sujeción; como lo
muestra la figura; puesto que estos soportan el peso del Motor Eléctrico, así como
también el peso de la placa motor donde se empotra el Motor, además se analiza la
deflexión que se dará que las barras de sujeción puesto que estas soportan los pernos de
sujeción, de modo que los pernos y las barras comparten la carga resistida.
71
FIGURA 4.1.2.1
FUENTE: El Autor, Carcasa Diferencial para Vehículo Eléctrico, Esfuerzos que suceden en los pernos de sujeción de la placa
motor y en las barras de sujeción , Enero 2014.
La siguiente figura muestra una representación de la concentración de esfuerzos en los
pernos, así como en las barras.
FIGURA 4.1.2.2
FUENTE: El Autor, Esfuerzos, Representación de los esfuerzos producidos en los pernos y en las barras Enero 2014.
72
Con una idea más clara de lo que sucede en las barras y penos, se procede con los
siguientes cálculos:
Se determina en primera instancia la deflexión que se da en las barras de sujeción,
como están simétricamente colocadas y soportan el mismo peso, sólo se analiza
una de las barras. Se debe recordar que el peso del motor y la placa que sujeta al
motor, influyen como fuerza que afecta a la deflexión de la barra, por lo tanto se
establece el peso de la palca motor y se la suma al peso de motor; con los datos del
aluminio se establece en primer lugar la masa de la placa motor:
Análisis de la deflexión de la barra:
Cálculo del volumen de la placa motor:
Cálculo de la masa de la placa motor:
Cálculo de las fuerzas involucrados:
⁄ ⁄
Cálculo de la masa de la barra de aluminio, se debe recordar que es hueca,
sin antes que se calcule el área y volumen de la misma:
73
Cálculo de esfuerzos en la barra:
o Sumatoria de fuerzas:
∑
∑
∑
Cálculo de la deformación de la barra:
o Inercia en la barra:
74
o Angulo de deformación de la barra:
o Distancia de deformación:
Análisis del esfuerzo cortante en el perno:
Se establece las dimensiones de los pernos para realizar el cálculo del esfuerzo
cortante, debido a que los 4 pernos soportan el mismo peso y están simétricamente
colocados, solo se realiza el análisis en uno de los pernos, los pernos a utilizar en
esta sección son de ½ plg grado SAE 7, la figura a continuación también muestra
las dimensiones principales de las cuerdas para tornillos estándar.
75
FIGURA 4.1.2.3
FUENTE: NORTON, L. Robert, Diseño de Máquinas, Dimensiones principales de cuerdas para tornillos estandar, Enero 2014.
Cálculo de las dimensiones críticas del perno:
76
Cálculo del área de estrés del perno:
Cálculo de la fuerza cortante que actúa sobre el perno:
⁄ ⁄
Cálculo de esfuerzos en la barra:
o Sumatoria de fuerzas:
∑
∑
∑
o Cálculo del esfuerzo cortante en el perno:
El esfuerzo de Von mises se calcula mediante la fórmula a continuación:
Para este caso solo hay esfuerzo cortante analizado en el perno por lo que fórmula se reduce a:
77
√
√
4.1.3 ESFUERZOS EN LAS TAPAS LATERALES.
En esta parte se analiza los puntos críticos donde se darán los mayores esfuerzos, que en
lo que respecta a las tapas laterales, se ubican los puntos críticos en los pernos de
sujeción, como lo señala la figura.
FIGURA 4.1.3.1
FUENTE: El Autor, Carcasa Diferencial para Vehículo Eléctrico, Puntos críticos donde se dan las mayores esfuerzos, Enero
2014.
La siguiente figura muestra el tipo de pernos que se utilizan para la sujección, que son
M8x1.25 – 6H, que es donde se sucede el mayor esfuerzo.
78
FIGURA 4.1.3.2
FUENTE: El Autor, Carcasa Diferencial para Vehículo Eléctrico, Puntos críticos donde se dan las mayores esfuerzos, Enero
2014.
Para el análisis se menciona que la tapa central compuesta de 8 pernos para el asentamiento
de los valeros se encuentra fija, recordando que es la tapa del diseño original motivo por el
cual no se lo toma como un punto crítico pues el diseño de esta tapa esta realizado de modo
que pueda compensar los esfuerzos que transmiten los rodamientos; por otra parte los 4
pernos de sujeción de la tapa lateral del nuevo diseño también soportan esfuerzos generados
por el torque y el peso de los rodamientos y debido a que son parte del nuevo diseño, se
calcula los esfuerzos a los que están sometidos y se los comparan con los valores permisibles
de las tablas que se muestran más adelante, por último se debe tener en cuenta que es solo
necesario el análisis en un solo perno pues están ubicados simétricamente en la placa por lo
que reciben el esfuerzo general dividido entre los cuatro.
FIGURA 4.1.3.3
FUENTE: El Autor, Carcasa Diferencial para Vehículo Eléctrico, Puntos críticos donde se dan las mayores esfuerzos, Enero
2014.
79
La figura anterior muestra cómo se concentran las fuerzas en un perno, lo cual sucede en las
placas laterales; los cálculos y resultados son:
Para sacar el área de la placa lateral, cabe mencionar que solo se hace el análisis
de una de las placas pues las dos son de iguales dimensiones.
Antes se obtiene el radio del agujero interno de alojamiento del rodamiento
de la placa lateral:
Ahora se procede al cálculo del área.
Cálculo del volumen.
Cálculo del volumen de la Tapa Superior.
Cálculo la masa de la placa superior.
Con la densidad del Aluminio, se calcula la masa de la placa.
80
Cálculo de las fuerzas involucradas que afectaran el perno; para esta sección
tomamos en cuenta la figura 4.1.1.5 donde se obtienen las dimensiones necesarias
para la obtención de los esfuerzos que se dan en los ejes mismos que los tramiten a
los rodamientos y estos a su vez a los pernos de las placas laterales; para este
cálculo también se analiza el rodamiento de la zona C, debido que está más cerca a
la corana y al piñón cónico donde se producen los esfuerzos generados por el
torque del motor eléctrico, de manera que en esta área el rodamiento recibe mayor
esfuerzos con respecto al rodamiento de la zona D de la figura mencionada
anteriormente.
o Determino el vector W:
o Cálculo del de Posición desde el punto D hasta el punto G:
o Cálculo del vector desde el punto D hasta el punto C:
o Calculo de la sumatoria de Momentos mediante producto cruz:
Por lo tanto:
o Calculo de las fuerzas en los punto C y D:
( )
Por lo tanto:
81
Cálculo de la fuerza ejercida por el peso de la placa lateral:
⁄
Fuerza ejercida por el peso del Diferencial.
⁄
Fuerza ejercida por la placa superior.
⁄
Fuerza total.
Cálculo del área del perno donde actúan esfuerzos cortantes y axiales o
normales:
82
Finalmente cálculo del esfuerzo tensor en el perno.
Finalmente cálculo del esfuerzo cortante en el perno.
El esfuerzo de Von mises se calcula mediante la fórmula a continuación:
Para este caso no hay esfuerzo en (x), y solo se tiene el esfuerzo en (y), por lo tanto la fórmula se
reduce a:
√
√
4.1.4 RESUMEN DE RESULTADOS
La figura a continuación muestra los resultados obtenidos comparados los valores de los
esfuerzos permisibles, tanto para pernos métricos, como para pernos en pulgadas.
83
TABLA 4.1.4.1
TABLA DE RESULTADOS DE LOS ESFUERZOS EN LAS ZONAS CRÍTICAS DE
LA ESTRUCTURA
Área de análisis Esfuerzo Normal
Calculado [MPa]
Esfuerzo Cortante
Calculado [MPa]
Esfuerzo Permisible
(Tablas) [MPa]
Tapa Piñón (Pernos
Clase 8.8 de la Placa
de fijación)
830
Tapas Laterales
(Pernos Clase 8.8 de
Sujeción)
830
Pernos SAE 7 de las
barras de sujeción
-
917
FUENTE: El Autor, Cuadro comparativo de los esfuerzos obtenidos en las zonas críticas de la caja vs. los esfuerzos permisibles
según tablas de especificaciones obtenidas del libro de Norton, Diseño de máquinas. Marzo 2014
La figura a continuación (figura 4.1.4.1) muestra los valores de resistencia de los pernos, tanto
para los pernos en pulgadas, así como para los pernos métricos, comparado con los resultados
obtenidos, las zonas críticas de la estructura soporta ampliamente los esfuerzos.
Finalmente con los resultados obtenidos se hace el análisis para el cálculo del factor de seguridad,
para el análisis estático así como para el análisis por fatiga de los pernos.
84
FIGURA 4.1.4.1
FUENTE: NORTON, L. Robert, Diseño de Máquinas, Resistencias para pernos de acero métricos y en pulgadas, Marzo 2014.
A continuación se realiza el cálculo del factor de seguridad bajo criterio estático y criterio de
fatiga, con lo cual se hace una comprobación más de la resistencia de la estructura al torque
entregado por el motor eléctrico.
85
4.1.5 FACTOR DE SEGURIDAD BAJO CRITERIO ESTÁTICO
PERNOS DE LA PLACA PIÑÓN.
Se establece los valores de esfuerzo máximo y resistencia a la fluencia mínima:
Se realiza el cálculo factor de seguridad contra la fluencia:
PERNOS DE LAS BARRAS DE SUJECIÓN.
Se establece los valores de esfuerzo máximo y resistencia a la fluencia mínima:
Se realiza el cálculo factor de seguridad contra la fluencia:
PERNOS DE LAS PLACAS LATERALES.
Se establece los valores de esfuerzo máximo y resistencia a la fluencia mínima:
Se realiza el cálculo factor de seguridad contra la fluencia:
4.1.6 FACTOR DE SEGURIDAD, BAJO CRITERIO DE FATIGA - SODERBERG
Es importante mencionar que la fatiga es un fenómeno progresivo de desgaste y deterioro de los
materiales por el continuo proceso de cambio en la estructura interna de un material. Para este
punto de análisis se debe tener en cuenta que la carcasa estará sometida a diferentes movimientos
durante el funcionamiento del coche; lo cual en determinado momento fatigará las zonas críticas
86
de la estructura, en este caso las juntas mecánicas (pernos). Por tal motivo se realiza esta análisis
de modo que el factor de seguridad obtenido muestre una perspectiva más clara del diseño y de
los ciclos de trabajo que el conjunto soportará, antes de que el fenómeno de la fatiga empiece a
generar fallos.
PERNOS DE LA PLACA PIÑÓN.
Se establece los valores de esfuerzo máximo y resistencia a la fluencia mínima:
Se realiza el cálculo de esfuerzos de amplitud y medio:
√
√
Se calcula los esfuerzos de amplitud y medios y las direcciones correspondientes:
Se calcula los esfuerzos cortantes en las direcciones correspondientes:
√
Se calcula el factor de Seguridad o Diseño:
87
PERNOS DE LAS BARRAS DE SUJECIÓN.
Se establece los valores de esfuerzo máximo y resistencia a la fluencia mínima:
Se realiza el cálculo de esfuerzos de amplitud y medio, solo se analiza el cortante en el perno y la ecuación
se simplifica:
√
√
Se calcula los esfuerzos cortantes en las direcciones correspondientes:
√
Se calcula el factor de Seguridad o Diseño:
PERNOS DE LAS PLACAS LATERALES.
Se establece los valores de esfuerzo máximo y resistencia a la fluencia mínima:
Se realiza el cálculo de esfuerzos de amplitud y medio:
88
√
√
Se calcula los esfuerzos de amplitud y medios y las direcciones correspondientes:
Se calcula los esfuerzos cortantes en las direcciones correspondientes:
√
Se calcula el factor de Seguridad o Diseño:
TABLA 4.1.4.2
FACTOR DE SEGURIDAD
CRITERIO ESTÁTICO CRITERIO SODERBERG -
FATIGA
PERNOS PLACA PIÑÓN 7.04 5.5
PERNOS BARRAS DE
SUJECIÓN
304.96 218.29
PERNOS PLACAS
LATERALES
2.6 2.29
FUENTE: El Autor, Cuadro comparativo del factor de seguridad estático vs el factor dinámico bajo el criterio de SODERBERG,
Abril 2014.
Los valores obtenidos apreciados en la Tabla 4.1.4.2 muestran el comportamiento de los
elementos analizados ante los efectos de los esfuerzos presentes. Tanto en los casos para el
criterio estático y de fatiga los elementos soportan sin ningún inconveniente las cargas a las que
están sometidas por efectos del torque motor. Para este caso el diseño de la carcasa está acorde al
factor de seguridad dinámico, pues los elementos analizados estarán sometidos a ciclos de trabajo
89
que provocan la fatiga de los elementos. En los resultados obtenidos durante los cálculos, donde
el Sut (Resistencia a la Tensión mínima) es el valor relacionado al factor de seguridad estático y
que, conforme la estructura trabaje, se va reduciendo hasta llegar al punto Se (Resistencia a la
fluencia mínima); variación que se da conforme la estructura pasa del reposo a los ciclos de
trabajo a los que es sometida cuando el motor eléctrico está en funcionamiento. Se debe
mencionar que el criterio utilizado es el criterio SEDERBERG y es un criterio de vida infinita, es
decir que se analiza un elemento cuando está sometido a más de 1 millón de ciclos de trabajo, eso
garantiza que la pieza durante su funcionamiento y su vida útil no fallara por efecto de fatiga. La
figura 4.1.4.2 analiza los límites de fatiga para los aceros. Esta figura se la presenta a
continuación con el objeto de que el lector tenga una idea más clara de lo que sucede con los
metales cuando están sometidos a ciclos de trabajo extensos y así comprende mejor cómo
reaccionará la estructura en la estructura cuando está sometida a ciclos de trabajo.
FIGURA 4.1.4.2
FUENTE: Budynas, R. y Nisbett, J., Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley, Representación del grupo cónico y diferencial y
diagrama de cuerpo libre adecuado a las dimensiones de los elementos del proyecto, Enero 2014.
90
4.2 ANÁLISIS DE ELEMENTO FINITO DE LOS ESFUERZOS EN LAS
ZONAS CRÍTICAS.
4.2.1 ANÁLISIS DE ELEMENTO FINITO EN LOS PERNOS DE LA TAPA DE
FIJACIÓN DEL EJE PIÑÓN.
A través de la modelación en el Software Autodesk Mechanical Simulation 2014, se validan los
cálculos anteriomente realizados la figura 4.2.1 muestra el panorama general de los esfuerzos que
suceden en los pernos de la palca de fijación de eje piñón bajo las condiciones establecidas
previamente.
FIGURA 4.2.1.1
FUENTE: El Autor, Análisis de Elemento Finito, Esfuerzos en los pernos de la placa de Fijación, Abril 2014
Por otra parte en la figura 4.2.2 se observa el efecto de los esfuerzos sobre la placa
original de fijación y los pernos de sujeción, observando que los pernos de la parte
superior están a compresión y los de la parte inferior están sometidos a esfuerzos de
tensión.
91
FIGURA 4.2.1.2
FUENTE: El Autor, Análisis de Elemento Finito, Esfuerzos en los pernos de la placa de Fijación, Abril 2014
En la figura 4.2.3 se realiza un acercamiento para verificar la zona crítica de esfuerzos (von
misess) en los pernos, se realiza un probe y se visualiza un valor de 107.11 [MPa]; comparado con
93.74 [MPa] del esfuerzo von mises calculado; lo que valida el análisis realizado y además
comprueba que la estructura en esta zona resiste los esfuerzos transmitidos por el torque entregado
por el motor eléctrico; ya que los esfuerzos permisibles de cada perno M10 grado 8.8, es de 830
[MPa].
FIGURA 4.2.1.3
FUENTE: El Autor, Análisis de Elemento Finito, Esfuerzos en los pernos de la placa de Fijación, Abril 2014
92
4.2.2 ANÁLISIS DE ELEMENTO FINITO DE DEFORMACIÓN EN LAS BARRAS QUE
APOYAN LA PLACA MOTOR.
Para el caso de las barras cilíndricas y los pernos de sujeción de la placa motor se
muestra los esfuerzos obtenido a través del análisis de elemento finito realizado en
Mechanical Simulation, para el caso del desplazamiento que ocasionan tales
esfuerzos, debido al casi despreciable desplazamiento del valor obtenido en los
cálculos se enfatiza más en los resultados de los esfuerzos de corte presentes en el
perno; la figura 4.2.2.1 muestra un panorama general de las reacciones del sistema
ante los esfuerzos producidos en las barras cilíndricas con un valor de 2,05 [MPa].
FIGURA 4.2.2.1
FUENTE: El Autor, Análisis de Elemento Finito, Esfuerzos en las barras de sujeción de la placa motor, Abril 2014
Para el caso de los pernos de ½ plg grado SAE 7 los esfuerzos que suceden son de
2.05 [MPa], hablando del Esfuerzo de Von Mises obtenido en la modelación, que
en comparación con el valor calculado tenemos 2.6 [MPa], mismo que en ambos
casos no superan el valor permisible 917 [MPa], por lo que se valida que el
modelo soporta cómodamente los esfuerzos generados por el sistema, como lo
muestra la figura a continuación.
93
FIGURA 4.2.2.2
FUENTE: El Autor, Análisis de Elemento Finito, Esfuerzos en las barras de sujeción de la placa motor, Abril 2014
4.2.3 ANÁLISIS ELEMENTO FINITO EN LOS PERNOS DE SUJECIÓN DE LAS
PLACAS LATERALES.
Al igual que en las anteriores, en la figura a continuación se muestra un panorama general
del análisis obtenido durante la simulación, se menciona una vez más que solo se analizó
una de las palcas laterales y se asume que la placa original y la arandela de fijación están
94
fijas a la placa lateral, bajo las condiciones de fuerzas establecidas en los cálculos
anteriores.
FIGURA 4.2.3.1
FUENTE: El Autor, Análisis de Elemento Finito, Esfuerzos en los pernos de las placas laterales, Abril 2014
Como se establece en el cálculo de esfuerzos, los valores críticos están en los pernos,
específicamente en la zona de unión del perno con la placa, zona donde la tensión y el
esfuerzo cortante serán críticos. La figura 4.2.3.2 muestra un esfuerzo resultante de 294.54
[MPa], comparado a los 222.81 [MPa] de von mises obtenido en los cálculos anteriores,
demostrándose además que ninguno de los dos esfuerzos obtenidos en los distintos
análisis sobrepasan los 830 [MPa] permisibles en los pernos M8 grado 8.8; una vez más la
estructura soporta el torque entregado.
95
FIGURA 4.2.3.2
FUENTE: El Autor, Análisis de Elemento Finito, Esfuerzos en los pernos de las placas laterales, Abril 2014
96
5. CONCLUSIONES
La construcción de vehículos conlleva un conjunto de conocimientos en varias áreas del entorno
mecánico y tanto el diseñador como el ingeniero deben trabajar de forma paralela durante la
elaboración de un vehículo automotriz. Solamente el diseño de las transmisiones implica una
serie de conocimientos específicos que son validados de manera conjunta y paralela con el diseño
de los demás componentes, así como también de la carrocería y finalmente de las prestaciones y
áreas donde el vehículo transitará. Mediante este proyecto se incorporó un nuevo diseño de la
carcasa de la caja de velocidades que aloja el grupo diferencial, eliminado más del 50% de los
elementos que componen la caja de velocidades, reduciéndose además espacio y peso respecto a
los componentes originales.
Cuando se habla del diseño de elementos mecánicos se entiende de metodologías, procesos,
formas o estilos que el diseñador elige en base al panorama, con objeto de llegar a la obtención
del modelo que se propone. Esto siempre guiado por conocimientos adquiridos durante su
preparación académica o profesional, pero siempre consciente de la importancia del
conocimiento académico sumado a la experiencia profesional. Cada uno de estos conocimientos
llevan al diseñador al planteamiento del problema y , consecuentemente, a las posibles soluciones
del mismo. Aquí es donde su experiencia y conocimiento en el campo ayuda a determinar el
camino más corto, eficaz y eficiente a seguir para el logro del objetivo planteado teniendo en
cuanta que a partir de lo simple es como se llega a lo sofisticado. Las ideas principales, bocetos,
cálculos de esfuerzos, validaciones, procesos de manufactura, ensamblaje son de entre los puntos
más importantes durante el proceso de diseño, y es así que durante la elaboración del modelo se
llegó a las siguientes conclusiones:
La obtención del nuevo diseño de la carcasa dependió de tres factores muy importantes: el
aprovechamiento de los elementos ya existentes del modelo original; el aprovechamiento de
la geometría original de la carcasa; y las dimensiones que debían estar acorde a las
capacidades dimensionales de la maquinaria presente en el centro de maquinados de CIMA,
puesto que elementos muy grandes, es decir mayores a los 250 mm sobrepasarían la
capacidad de apertura de las mordazas para la sujeción de la pieza durante el maquinado.
Utilizar parte de los elementos originales de la transmisión suministró algunas facilidades
durante la elaboración del nuevo diseño. Entre los elementos más relevantes del modelo
original que se usaron está el grupo diferencial completo, conjuntamente con los dos
rodamientos de apoyo. También el uso del eje de salida solidario al piñón cónico para la
conexión a través de una junta o acoplamiento de acero con el eje del motor eléctrico, mismo
que entrega un torque de 163.4 N.m; esto porque en el diseño de la transmisión del VW
Escarabajo sus prestaciones están adecuadas para trasmitir un torque de 165 N.m. Se debe
mencionar además que originalmente la posición del eje y el piñón cónico, son distintas a las
adecuadas al nuevo diseño como ya se lo indicó en la figura 3.3.
97
Como se habla en la conclusión anterior, las ventajas de usar parte de los elementos y la
geometría original del sistema de transmisión del VW Escarabajo ayudaron a la elaboración
del nuevo diseño. Para el dimensionamiento de los elementos, se propusieron medidas que
estuvieran acorde a las capacidades dimensionales de la maquinaria donde se
manufacturarían. Respecto a los espesores se manejó una sola dimensión de 20 mm, en base
al diseño original. Durante el levantamiento de medidas para el nuevo diseño, se obtuvieron
las medidas establecidas en las zonas de los pernos. El criterio utilizado para esta caso fue
que, sabiendo que las zonas donde hay juntas mecánicas son las críticas de una estructura, el
diseño original propone este espesor; se está claro que los diseñadores del modelo original
tomaron en cuenta todos estos detalles para hacer de su modelo un elemento esbelto y
eficiente. Por lo tanto, al utilizar los mismos espesores para el nuevo diseño de la carcasa
también se utilizó las mismas dimensiones de toda la tornillería y pernos usados en la zona
del grupo diferencial, es decir, pernos métricos M10 x 1.25 y M8 x 1.25. Respecto a la
longitud de estos, se acopló a las dimensiones del nuevo diseño. También se aprovechó parte
de la estructura diseñada anteriormente para la sujeción del motor eléctrico y, como la
muestra la figura 5.1, se aprovechó la geometría establecida para el diseño de la tapa motor
donde se sujeta el motor eléctrico, específicamente los puntos de sujeción del motor. En base
a ello se estableció las dimensiones de las barras de sujeción, así como las distancias para la
ubicación de las mismas en la tapa motor, donde se redujo las dimensiones a una tapa piñón.
En el caso de la tapa motor, sus dimensiones actuales son de 250mm x 250 mm x 20 mm,
más pequeña y más liviana con respecto al modelo anterior.
FIGURA 5.1
FUENTE: El Autor, Diferencial para Vehículo Eléctrico, Zona de sujeción del motor eléctrico, dimensiones utilizadas para el
diseño de la tapa Motor.
98
Al hacer mención de ello se recalca dos puntos más:
o Primero: debido a que el motor es del tipo eléctrico, podemos hablar de un
torque constante por rangos más prolongados respecto al torque que entrega el
motor de combustión interna del VW Escarabajo, es decir 163.4 N.m vs 165
N.m respectivamente. El control de este valor se lo puede hacer a través de un
módulo electrónico, lo que haría la función de acoplamiento y
desacoplamiento entre el motor y la transmisión, que originalmente está
destinado al conjunto del embrague. Se hace mención a esto porque, para el
nuevo diseño, se eliminó todo el conjunto del embrague, de forma tal que la
transmisión de poder pasará desde el eje del motor eléctrico al eje del piñón a
través de la junta o acoplamiento de acero, misma que tiene una longitud de
107.65 mm, lo que originó que la longitud de los pernos de ½ pulgada que
sujetaban la placa motor aumentara a 310 mm de largo. Esto no afecta a la
estabilidad y correcta sujeción del motor, soportando adecuadamente los
esfuerzos producidos por el torque motor y los pesos de la tapa motor.
o Segundo: el nuevo diseño de la carcasa está basado en una forma geométrica
básica, i.e., un cubo con las dimensiones adecuadas para el alojamiento del
grupo diferencial.
Establecidos los puntos anteriores se concluye además que la obtención del nuevo modelo
fue a través de un proceso de observación y aprovechamiento de recursos existentes para
el cumplimiento de los requisitos de funcionamiento del sistema, es decir el motor
eléctrico entrega un torque de 163.4 N.m por lo tanto la estructura debe ser capaz de
soportar los esfuerzos transmitidos por este torque y, como ya se observó en la tabla
resumen de resultados del capítulo 4 para las áreas críticas, ninguno de los esfuerzos
generados por el torque transmitido sobrepasa los esfuerzos permisibles para pernos grado
8.8 (Métrico) y SAE 7(estándar)
Por la parte del Análisis de Elemento Finito, es importante indicar que el software es un
complemento para la verificación y validación del cálculo matemático y, en el caso del
proyecto, comprobó que la estructura es lo suficientemente esbelta para transmitir el
torque del motor eléctrico.
Por último se debe mencionar que este nuevo modelo establecido se ha validado a través
de cálculos y modelación del sistema como un conjunto aislado de los demás
componentes y estructura del vehículo. Así que, para posibles trabajos futuros, este
modelo debe ser analizado y validado nuevamente a través del diseño de los demás
componentes del tren motriz y del vehículo en general, especialmente el conjunto de la
suspensión pues, en el diseño de coches, es una de las áreas más importantes a tomarse en
cuenta por parte de los ingenieros cuando se hace una evaluación general de todo el
diseño de vehículo, ya que la dinámica del vehículo y la variación del centro de gravedad
son factores críticos en el rendimiento del vehículo.
99
6. BIBLIOGRAFÍA
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Caracas, México: Editorial Reverté S.A.
Bosch, R. (2011). Bosch Automotive Handbook, 8th
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Budynas, R. y Nisbett, J. (2012). Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley. México:
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Politécnico Superior Universidad de Zaragoza.
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Mezquita, J. y Dols, J. F. (2004). Tratado sobre Automóviles, Tomo 1. Valencia – España:
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Pintado, P. (2000). Transmisión, Colección Ciencia y Técnica. España: Ediciones de la
Universidad de Castilla – La Mancha.
100
Scientific Publications PTY, LTD. (1982). Manuales para el Taller – CECSA, Volkswagen
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Sociedad de Técnicos de Automoción. (2011). El Vehículo Eléctrico, 1era Edición. Barcelona
– España: Librooks.
Smith, R. (2011). Ecología para el rescate de la Tierra. Amertown International S.A.
101
7. ANEXOS
7.1 DIBUJOS DE INGENIERÍA
A continuación se muestran los planos de los dibujos de las piezas de la nueva carcasa, así como
un ensamble final en explosión de todo el diseño.
![ISO 28000.ppt [Modo de compatibilidad]](https://static.fdocuments.ec/doc/165x107/6184ff9cd7ff753dcd14e9e9/iso-28000ppt-modo-de-compatibilidad.jpg)
