Diseño, construcción y cálculo estático de chasis tubulares para coches de competición

Luis Unzueta Irurtia

Estado: Finalizado

Introducción:

El objetivo de este proyecto es el de establecer un método de cálculo que permita diseñar un chasis tubular de un coche de una manera en la que se puedan controlar todos los parámetros que conciernen al diseño para poder obtener un chasis lo más ligero, resistente y económico posible, todo ello teniendo en cuenta que el tiempo disponible es limitado.

En primer lugar es necesario saber cuándo se puede dar por válido un chasis en cuanto a su resistencia. Para ello es imprescindible conocer los criterios que utilizan los diseñadores de chasis tubulares en diferentes competiciones como pueden ser la Fórmula SAE/Student, Car Cross o Nascar.

Una vez que ya se conocen los límites que no se deben sobrepasar hay que decidirse por las herramientas de cálculo que deben utilizarse. La teoría de los elementos finitos sería la ideal si la geometría fuera sencilla de obtener. Debido a que esto no es así se toma un camino alternativo. Se ha optado por la teoría de primer orden o método de rigidez para el dimensionado de los perfiles, y otras teorías de estructuras, basadas en diversas investigaciones y en la experiencia, para comprobar si las barras pandean y si las uniones soldadas aguantan o no.

Para la aplicación de estas teorías es necesario hacer un dibujo aproximado del chasis. Para poder llevar a cabo esta aproximación correctamente, es imprescindible tener en mente los modos de fabricación de los que dispone un calderero a la hora de construir una estructura tubular como ésta. Por ello se dedica un capítulo entero a este tema.
En la actualidad no hay una normativa específica sobre cómo diseñar chasis tubulares y no nos referimos a normas de competición sino de diseño. Existen normativas para calcular edificios, como por ejemplo el Eurocódigo. Evidentemente, un chasis no está en la misma situación que un edificio. Sus cargas tienen una mayor variabilidad y además su condición en el espacio no es estática. En otras palabras; un chasis se mueve durante la conducción. Por ello hay que aplicarle unas cargas y unas condiciones de contorno que tengan todo ello en cuenta. Lo que se pretende es analizarlo como si fuera un edificio pero teniendo en cuenta cuál es su situación en la realidad.

La solución que se adoptado en este proyecto tiene los siguientes pasos generales:
1. Dibujar la geometría del chasis de una manera aproximada (con Pro/E)
2. Determinar el tamaño del perfil de las barras mediante la teoría de primer orden o método de rigidez (con Cestri, Calest y Excel)
3. Comprobar que las barras no pandean mediante las teorías de los manuales de CIDECT (Comité International pour le Développement et l’Étude de la Construction Tubulaire) (con Cestri, Calest y Excel)
4. Comprobar que las uniones aguantan haciendo uso de las las teorías que se citan en los manuales de CIDECT (con Cidjoint y COSMOS)

Proyecto:

Diseño

Un chasis se podría definir como una estructura cuyo propósito es el de conectar rígidamente la suspensión delantera y la trasera y al mismo tiempo ofrecer puntos de amarre para los diferentes sistemas del vehículo, así como de proteger al conductor frente a la colisión. Los diseños rara vez se someten a tensiones del orden de la tensión última. Lo determinante es la no deformación o en otras palabras la rigidez. El chasis debe ser rígido para deformarse poco y así no alterar las características de la conducción.

La construcción de un chasis es el compromiso entre la rigidez, el peso y el espacio, todo ello teniendo en cuenta el coste final. Deben considerarse la resistencia estática y a fatiga, la estabilidad de los miembros estructurales, la capacidad de soporte de carga de las uniones, la fabricación y el montaje. En este proyecto sólo se tendrán en cuenta los esfuerzos que puedan considerarse estáticos. Para un cálculo completo de un chasis también deberían hacerse cálculos a fatiga y de colisión, algo que da para un par de proyectos más.

En este capítulo se van a dar unas pautas, a modo esquemático, que se deberían considerar mientras se está diseñando un chasis tubular. Estas pautas tienen que ver con la rigidez, el peso, el espacio y el coste.


Medida experimental de la rigidez torsional

En la siguiente imagen se muestra el diagrama del ALGORITMO DE DISEÑO

Construcción

No pocas veces al diseñar estructuras el proyectista comete el error de no tener en cuenta desde el principio el material que más le conviene y las posibilidades que tiene de poder moldearlo a su gusto. El proceso de fabricación de estructuras metálicas tubulares en sí no la tiene que hacer el ingeniero porque no tiene los mismos conocimientos y la experiencia que tiene el calderero. Pero es importante que la comunicación entre ambos sea importante para poder llevar el diseño a buen puerto. El ingeniero deberá conocer las herramientas de las que dispone el calderero, su coste, los materiales que mejor le vienen, su coste también, los tipos y dimensiones de tubos de los que dispone, por supuesto que su coste y cómo afecta el proceso de fabricación y montaje al cálculo de la estructura. Por ejemplo, si el material está conformado en frío o en caliente, el comportamiento de las uniones soldadas varía. En el montaje también puede ocurrir que la estructura quede pretensada para poder obtener la forma deseada.

Según los tipos de unión que puedan construirse el diseño de la estructura será diferente. Según si hay posibilidades de doblar tubos o no, el diseño cambiará. También tiene mucha importancia saber cuáles son las características mecánicas del material como son su módulo de elasticidad E, su módulo de cortadura G, su densidad r y su límite de fluencia fy. En principio los tubos de los que dispone pueden tener sección circular o rectangular, pueden ser huecos y macizos, ¿cuál conviene más?. Por esta razón en este apartado se van a dar unas pinceladas sobre los materiales, procesos de fabricación y montajes que más comúnmente se pueden dar en la construcción de un chasis tubular. Por último también se darán unas indicaciones sobre cómo debe presentarse el diseño al calderero para que la idea abstracta se convierta en realidad palpable.

Cálculo

El cálculo ideal se llevaría a cabo si se pudiera modelizar el chasis exactamente y de un modo rápido, con el grosor de las barras correspondiente y con las uniones bien dibujadas. De esta manera se podría calcular mediante el método de los elementos finitos. El caso es que los medios de los que disponemos en la actualidad no nos permiten hacerlo. Por esta razón para llevar a cabo el cálculo habrá que modelizar la estructura de una manera aproximada, basándose en los condicionantes de fabricación, para poder aplicar las diversas teorías de cálculo estructural que existen hoy día.

Se empieza por definir el estado límite que no se deberá sobrepasar para poder dar el visto bueno a la estructura. Habrá que calcular además si el sistema es estáticamente estable, es decir, si cada barra comprimida y/o flexionada aguanta a pandeo o no. También deberá comprobarse que las uniones aguantan los esfuerzos a los que están sometidas.

En la siguiente imagen se muestra el diagrama del ALGORITMO DE CÁLCULO

ANEJO 1: EJEMPLO DE CÁLCULO DE UN CHASIS TUBULAR

El 23 de marzo de 2002 se hicieron unas pruebas en Tecnun con el Car Cross Melmac del laboratorio de automoción, entre otras razones, para someter el chasis a los máximos esfuerzos que fuera posible. El coche recorrió los alrededores de la Escuela acelerando y frenando bruscamente en determinados puntos del circuito. Gracias a los datos obtenidos en esta prueba se hicieron cuatro hipótesis de carga que someten al chasis al trabajo estático más severo posible dentro de lo que fue la prueba en sí.


Chasis Car Cross Melmac dibujado en Cestri

El anejo completo se encuentra en la sección Material público

ANEJO 2: EJEMPLO DE DISEÑO DE UN CHASIS TUBULAR

Hasta 1997 en la Escuela Superior de Ingenieros Industriales de San Sebastián se habían construido unos cuantos monoplazas como trabajo extra para alumnos voluntarios dentro de la asignatura “Teoría de Máquinas”. En cuanto a los chasis que se construían hay que decir que no había demasiada ingeniería. Más que nada se imitaban los modelos que aparecían en revistas especializadas. Se tenía en cuenta, a lo sumo, que era preferible la estructura triangularizada a la rectangular. No pocas veces ocurría que una vez construido el coche se veía que la deformación al conducirlo era excesiva. Entonces era cuando se reforzaba la estructura añadiéndole barras.

En septiembre de 1997 se planteó dar un paso más y diseñar previamente a la construcción todo lo que se pudiera. Se barajaron varias posibilidades sobre el tipo de coche que se pretendía construir. Una de esas posibilidades fue la fórmula SAE, pero se vio que el nivel técnico de la competición era muy superior al nivel de conocimiento que se tenía respecto a las diferentes áreas de la automoción. Otra de ellas fue hacer un Car Cross. Ésta fue la que se llevó adelante todo lo que se pudo, por lo menos en cuanto al diseño. En lo que respecta al chasis tampoco se pudo profundizar mucho sobre si aguantaba o no el diseño porque no se conocía todo lo necesario para su análisis.

De todo ello quedó para el recuerdo un diseño de chasis que es el que se va a remodelizar en este apartado. También se comentarán qué partes de aquel diseño deberían cambiarse. Por último, habría que determinar las dimensiones de las barras y ver si la geometría es óptima o no mediante un cálculo similar al del anejo anterior.


Chasis Car Cross dibujado en Pro/E

El anejo completo se encuentra en la sección Material público

ANEJO 3: PROGRAMACIÓN EN PROTOOLKIT

ProToolkit es una herramienta de programación que permite expandir las posibilidades de Pro/E. Utiliza el lenguaje de programación C/C++ e incluye una extensa librería de funciones para poder acceder y manipular desde el exterior las aplicaciones de Pro/E. Nuestro interés es el de poder transformar el chasis del Anejo 2 dibujado en Pro/E en un archivo utilizable en Cestri y Calest y poder llevar a cabo el cálculo de la estructura. El resultado es una aplicación que tiene por nombre “DeProEaCestri” que lleva a cabo este objetivo satisfactoriamente. Mediante esta aplicación, tal y como se ha visto en el Anejo 2, se obtiene un archivo llamado “chasis.txt”, que contiene la geometría del chasis en el formato adecuado.

El anejo completo, junto con la aplicación desarrollada, se encuentra en la sección Material público

Material público:

Memoria de proyecto (3.593 Kb, formato PDF)
Anejo no. 1 (4.789 Kb, formato PDF)
Anejo no. 2 (4.789 Kb, formato PDF)
Anejo no. 3 (4.789 Kb, formato PDF)
Aplicación "DeProEaCestri" (1.728 Kb, ejecutable EXE)