Diseño y estudio de los palieres de un monoplaza de fórmula SAE empleando materiales alternativos al acero

Fernández Osma, Mario (2017). Diseño y estudio de los palieres de un monoplaza de fórmula SAE empleando materiales alternativos al acero. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Diseño y estudio de los palieres de un monoplaza de fórmula SAE empleando materiales alternativos al acero
Autor/es:
  • Fernández Osma, Mario
Director/es:
  • Chacón Tanarro, Enrique
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Julio 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Mecánica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La Formula SAE es una competición en la que estudiantes de ingeniería de todo el planeta diseñan, fabrican y compiten con un monoplaza en distintos circuitos de carreras de primer nivel. La Formula SAE permite así al alumno dar los primeros pasos en un entorno de trabajo similar al profesional a la vez que se va integrando en el mundo de la competición del motor. Este Trabajo de Fin de Grado tiene como objetivo el análisis y diseño de un elemento del sistema de transmisión de un vehículo de FSAE, el palier, empleando materiales alternativos al acero. El palier (se encuentran dos en cada vehículo) es el elemento encargado de transmitir el par motor desde la salida del grupo diferencial hasta la rueda, de forma que se consiga la tracción necesaria que permita el avance. De este modo, se proporcionará una pequeña selección de los palieres que se hayan diseñado, para que cada equipo de Formula SAE pueda decidir qué modelo y qué material se adapta mejor a sus necesidades. La primera parte de este proyecto consiste en el análisis de un palier de acero de alta resistencia mecánica AISI 4340, suministrado por un fabricante profesional, que es la opción más comúnmente empleada por la mayoría de los equipos que compiten en la actualidad. Para ello, se va a comenzar a estudiar un monoplaza de FSAE genérico, que cumpla con las restricciones que impone la normativa vigente de la competición (fundamentalmente se tendrán en cuenta las limitaciones geométricas). A partir de este vehículo se obtendrán datos como su masa, los esfuerzos aerodinámicos, el coeficiente de adherencia de los neumáticos, las relaciones de transmisión que incorpora la caja de cambios o las curvas de par motor, que serán empleados para determinar a qué solicitaciones mecánicas se verá sometido cada uno de los palieres. Una vez conocidos los esfuerzos que tendrá que soportar cada uno de los ejes de la transmisión, se procede a realizar un análisis completo, tanto estático como dinámico, que permitirá estimar la resistencia a fluencia y a fatiga del palier, identificando cuáles son las secciones críticas y qué zonas del eje se encuentran sobredimensionadas. Para ello, se realizarán los correspondientes cálculos numéricos, así como simulaciones del comportamiento a fatiga mediante un programa de análisis por elementos finitos. Tras finalizar el análisis del diseño actual del palier de acero, se va a proceder a estudiar las distintas alternativas propuestas. El objetivo principal de este trabajo es la obtención de un palier que sea fiable y seguro, a la par que se consiga una reducción del peso, lo que mejorará el rendimiento del vehículo, especialmente en pruebas donde la velocidad predomine sobre la estabilidad o la maniobrabilidad del vehículo. Para ello, se va a proponer el uso de dos materiales alternativos al acero, el aluminio y la fibra de carbono, ambos mucho más ligeros que el primero. Se comenzará con el palier de aluminio. Dicho material se introdujo en la competición del motor como principal alternativa al acero, debido a su ligereza. Aunque en la actualidad el aluminio ha sido ampliamente superado por otros materiales con mejores propiedades mecánicas, especialmente por los compuestos, sigue teniendo algunas aplicaciones interesantes en los monoplazas. Por tanto, para iniciar el trabajo con dicho material, se va a plantear un primer diseño “primitivo” que cumpla una serie de limitaciones geométricas básicas. A este primer diseño se le realizará un análisis similar al que se llevó a cabo con el palier de acero, identificando de nuevo los posibles puntos críticos, incongruencias o zonas que se encuentren sobredimensionadas. Así, mediante un proceso de cálculo matemático iterativo, apoyado en los resultados obtenidos en las simulaciones realizadas mediante el programa de Análisis de Elementos Finitos, se llegará a un diseño final que cumpla los requisitos solicitados de fiabilidad y peso reducido. El último diseño que se llevará a cabo es el de un palier fabricado en fibra de carbono, uno de los materiales de mayor aplicación en el mundo de la competición de motor debido a sus excelentes propiedades mecánicas. Se debe comenzar por la selección del tipo de fibra adecuada para la fabricación de cada uno de los palieres, teniendo en cuenta el tipo de solicitaciones que deberá ser capaz de resistir. Tras su selección, se deberá estudiar uno de los principales problemas que presenta el material compuesto para este tipo de elementos mecánicos, el método de transmisión que permita que la potencia pueda circular a través del eje uniendo el resto del mecanismo (diferencial y ruedas). Se ha planteado una serie de posibles soluciones a este problema y se ha elegido finalmente diseñar un modelo de palier que combine la fibra de carbono y un metal, en este caso, el aluminio, que servirá de unión con el resto del mecanismo de la transmisión, también fabricado en aluminio o acero. Una vez solucionada la transmisión de par entre los distintos elementos, se realizará un nuevo análisis de resistencia estática del palier de fibra de carbono para conseguir un dimensionamiento adecuado. Otro de las condiciones que se ha impuesto en el diseño es que los palieres de aluminio y de fibra de carbono sean intercambiables entre sí, es decir, que la decisión de usar uno u otro no implique el rediseño completo del sistema de transmisión del vehículo. Por ello, se buscará que las dimensiones de ambos sean similares. Sin embargo, la fibra de carbono es un material que presenta un gran inconveniente a la hora de realizar cualquier tipo de diseño mecánico empleándola como material principal, la dificultad de predecir matemáticamente su comportamiento a fatiga. Es por ello por lo que se plantea en este TFG, a modo de líneas futuras, la realización de una serie de ensayos de fatiga que permitirían obtener estimaciones de la vida útil del palier de forma bastante precisa, a la par que permitirían estudiar otras variables de trabajo del sistema motor. Finalmente, una vez se haya completado el diseño de los palieres de materiales alternativos al acero, se va a realizar un estudio económico de cada uno de ellos. Para ello, se tendrán en cuenta los costes del material en bruto, operarios y herramientas necesarias para su correcta fabricación. En este estudio se va a suponer que el equipo dispone de la maquinaria y los conocimientos adecuados para llevar a cabo la fabricación de modo que el resultado sea fiable para la competición. Conocidos los costes que supondría fabricar cada uno de los palieres y la masa de cada uno de ellos, se realiza una valoración de los resultados. En este punto, se trata de identificar cuáles son las ventajas e inconvenientes de cada diseño, teniendo en cuenta las reducciones de peso que puedan suponer en el vehículo, las mejoras de comportamiento ante determinados esfuerzos y solicitaciones, el precio total que supondría su fabricación, la vida útil que presentará cada uno de ellos o si el empleo de ciertos materiales será tenido en cuenta por los jueces de la competición como un avance que pueda aportar una mejor puntuación al total de las pruebas estáticas. Por último, a modo de conclusión, tras haber planteado las ventajas e inconvenientes de cada diseño, se indica por qué modelo debería optar un equipo de Formula SAE que se esté planteando diseñar un nuevo sistema de transmisión y necesite emplear unos nuevos palieres. Para ello, se tendrá en cuenta de qué recursos dispone y cuál es su nivel de conocimiento acerca de los distintos materiales y procesos de fabricación que se deberán llevar a cabo para obtenerlos.

Más información

ID de Registro: 48140
Identificador DC: http://oa.upm.es/48140/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48140
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 16 Oct 2017 14:20
Ultima Modificación: 16 Oct 2017 14:20
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