Diseño y fabricación de la puntera de la suspensión delantera para motostudent.

MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA INDUSTRIAL TRABAJO FIN DE MÁSTER <DISEÑO Y FABRICACIÓN DE LA PUNTERA DE LA SUSPENSIÓN DELANTERA PARA MOTOSTUDENT> Estudiante <Beaskoetxea, Ibarra, Gorka> Director <López, Montaña, David> Departamento <Ingeniería mecánica> Curso académico <2019/20> <Bilbao, 31, 08, 2020> 2 MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA INDUSTRIAL TRABAJO FIN DE MÁSTER <DISEÑO Y FABRICACIÓN DE LA PUNTERA DE LA SUSPENSIÓN DELANTERA PARA MOTOSTUDENT> Estudiante <Beaskoetxea, Ibarra, Gorka> Director <López, Montaña, David> Departamento <Ingeniería mecánica> Curso académico <2019/20> Bilbao, día, mes, año> DOCUMENTO 1: MEMORIA 3 RESUMEN TRILINGÜE RESUMEN Título: Diseño y fabricación de la puntera de la suspensión delantera para MotoStudent En este documento se expone la propuesta de diseño y fabricación de la puntera de la suspensión delantera que utilizarán los dos prototipos del equipo de MotoStudent de la Escuela de Ingeniería de Bilbao, Bizkaia ESIBilbao, en la VI Edición de la Competición MotoStudent. Debido al papel que juega la puntera en el tren delantero inferior, se abordará su estudio en conjunción con el resto de los elementos de este tren. Se describirá el proceso de diseño, desde su fase inicial hasta obtener el prototipo final. Para ello se presentarán los criterios de diseño, así como una explicación detallada de los análisis llevados a cabo para la optimización, junto con los resultados obtenidos en las pruebas. Una vez diseñado el modelo definitivo, se diseñará el proceso de fabricación para posteriormente fabricarlo en el taller del equipo en la Escuela de Ingeniería de Bilbao. Palabras clave: puntera, horquilla, motocicleta 4 LABURPENA Izenburua: Aurreko esekidurako puntakoaren diseinua eta fabrikazioa MotoStudent-erako Lan honetan Bilboko Ingeniaritza Eskolako MotoStudent taldeak, Bizkaia ESIBilbao-k, MotoStudent Lehiaketa VI Edizioan erabiliko dituen bi prototipoentzako puntakoaren diseinua eta fabrikazioa azalduko da. Puntakoak aurreko behe trenean daukan eragina dela eta, treneko horretako beste osagaiekin batera landuko da. Diseinu prozesua azalduko da hasierako fasetik amaierako prototipoa lortu arte. Horretarako, diseinuko irizpideak aurkeztuko dira, optimizatzeko egindako analisien xehetasunezko azalpena egingo da eta hauetan lortutako emaitzak erakutsiko dira. Behin amaierako modeloa diseinatuta, beronen fabrikazio prozesua diseinatuko da, ondoren taldearen Bilboko Ingeniaritza Eskolako tailerrean fabrikatzeko. Hitz gakoak: puntakoa, urkila, motozikleta 5 ABSTRACT Title: Design and fabrication of the caliper mounting of the front fork The design and fabrication proposal of the caliper mounting of the front fork of the two prototypes that the MotoStudent team of the Engineering school of Bilbao, Bizkaia ESIBilbao, will be taking to the VI Edition of the MotoStudent Competition is presented in this document. Due to the role caliper mounting plays in the lower front train, it will be worked on alongside the rest of the components of this train. It will be described the design process from its initial phases until the final prototype. With that purpose, the diverse criteria upon which the design is based will be presented, accompanied by a detailed explanation of the analysis carried out in order to optimize the model. The result of those tests will also be shown. Once the definitive model is designed, its fabrication will be designed in order to, afterwards, manufacture it in the team’s workshop in the Engineering School of Bilbao. Key words: caliper mounting, fork, motorcycle 6 Índice 1 MEMORIA ............................................................................................................................ 12 1.1 Introducción ................................................................................................................ 12 1.1.1 Estructura del documento ................................................................................... 13 1.2 Contexto ...................................................................................................................... 14 1.2.1 Competición MotoStudent .................................................................................. 14 1.2.2 Kit MotoStudent .................................................................................................. 16 1.2.3 Bizkaia ESIBilbao .................................................................................................. 16 1.2.4 Tren delantero inferior ........................................................................................ 18 1.2.5 Masa suspendida y masa no suspendida ............................................................ 19 1.2.6 Recursos disponibles del equipo ......................................................................... 20 1.3 Objetivos y alcance del proyecto ................................................................................ 24 1.4 Beneficios que aporta el trabajo ................................................................................. 26 1.5 Descripción de requerimientos ................................................................................... 27 1.6 Análisis de alternativas ................................................................................................ 30 1.6.1 Eje delantero ....................................................................................................... 32 1.6.2 Disco de freno delantero ..................................................................................... 37 1.6.3 Puntera derecha .................................................................................................. 41 1.6.4 Puntera izquierda ................................................................................................ 49 1.7 Análisis de riesgos ....................................................................................................... 51 1.7.1 Eje delantero ....................................................................................................... 52 1.7.2 Puntera derecha .................................................................................................. 55 1.7.3 Puntera izquierda ................................................................................................ 59 1.8 Descripción de la solución propuesta ......................................................................... 61 1.8.1 Puntera izquierda ................................................................................................ 61 1.8.2 Eje delantero ....................................................................................................... 61 1.8.3 Disco de freno delantero ..................................................................................... 63 1.8.4 Puntera derecha .................................................................................................. 64 1.8.5 Ensamblaje 3D ..................................................................................................... 70 2 METODOLOGIA SEGUIDA EN EL DESARROLLO DEL TRABAJO ............................................. 72 2.1 Descripción de las fases .............................................................................................. 72 2.1.1 Identificación del problema ................................................................................ 72 7 2.1.2 Solución ............................................................................................................... 73 2.1.3 Fabricación .......................................................................................................... 74 2.2 Diagrama de Gantt ...................................................................................................... 75 2.3 Cálculos ....................................................................................................................... 78 2.3.1 Fuerza máxima de frenado .................................................................................. 78 2.3.2 Transferencia de carga ........................................................................................ 78 2.3.3 Hundimiento ....................................................................................................... 80 2.3.4 Eje delantero ....................................................................................................... 82 2.3.5 Puntera ................................................................................................................ 89 2.4 Fabricación ................................................................................................................ 108 2.4.1 Eje delantero ..................................................................................................... 108 2.4.2 Puntera .............................................................................................................. 114 3 ASPECTOS ECONÓMICOS .................................................................................................. 147 3.1 Descripción del presupuesto ..................................................................................... 147 4 CONCLUSIONES ................................................................................................................. 151 5 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 153 8 LISTA DE TABLAS Tabla 1: discos de freno delanteros de Galfer. ........................................................................... 41 Tabla 2: posibles brazos para la puntera. .................................................................................... 42 Tabla 3: propiedades de diferentes aleaciones de aluminio. ..................................................... 49 Tabla 4: AMFE eje delantero. ...................................................................................................... 54 Tabla 5: AMFE puntera derecha (1). ........................................................................................... 57 Tabla 6: AMFE puntera derecha (2). ........................................................................................... 58 Tabla 7: AMFE puntera izquierda. ............................................................................................... 60 Tabla 8: fases y tareas del proyecto. ........................................................................................... 75 Tabla 9: uso de los recursos. ....................................................................................................... 77 Tabla 10: parámetros de corte de la operación cilindrado exterior. ........................................ 110 Tabla 11: parámetros de corte de la segunda operación del eje delantero. ............................ 112 Tabla 12: parámetros de corte de la tercera operación del eje delantero. .............................. 114 Tabla 13: parámetros de corte de la operación cilindrado F3. ................................................. 118 Tabla 14: parámetros de corte de la operación alojamiento de la suspensión (fresado). ....... 124 Tabla 15: parámetros de corte de la operación alojamiento de la suspensión (torneado). ..... 125 Tabla 16: parámetros de corte de la operación alojamiento del eje delantero. ...................... 128 Tabla 17: parámetros de corte de la operación taladrado de los tornillos pinza. .................... 131 Tabla 18: parámetros de corte de la fresa de planear (F3). ...................................................... 134 Tabla 19: parámetros de corte de la operación de fresado de las cavidades de la base de la puntera. ..................................................................................................................................... 136 Tabla 20: parámetros de corte de la operación fresado de la base de la puntera. .................. 138 Tabla 21: parámetros de corte de la primera operación de desbaste de la geometría cilíndrica. ................................................................................................................................................... 140 Tabla 22: parámetros de corte de la segunda operación de desbaste la geometría cilíndrica. 142 Tabla 23: parámetros de corte de la operación perfilado. ....................................................... 144 Tabla 24: parámetros de corte de la operación para los agujeros de los tornillos del eje. ...... 145 Tabla 25: coste de las adquisiciones. ........................................................................................ 147 Tabla 26: amortizaciones. ......................................................................................................... 148 Tabla 27: coste del consumo eléctrico. ..................................................................................... 149 Tabla 28: coste de las horas internas. ....................................................................................... 149 Tabla 29: presupuesto total del equipo. ................................................................................... 150 LISTA DE GRÁFICAS Gráfico 1: diagrama de Gantt. ..................................................................................................... 76 Gráfico 2: carga real e idealizada en el eje delantero. ................................................................ 82 9 LISTA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Logotipo de la Competición Internacional MotoStudent...................................... 14 Ilustración 2: Foto de grupo. Edición 2017-2018. ....................................................................... 15 Ilustración 3: Logotipos de MotoStudent Petrol y MotoStudent Electric. .................................. 15 Ilustración 4: Logotipo del equipo Bizkaia ESIBilbao. .................................................................. 17 Ilustración 5: tren delantero (prototipo 2018)............................................................................ 19 Ilustración 6: Masa suspendida y masa no suspendida. ............................................................. 20 Ilustración 7: Sierra de cinta Optimum S 100 G. ......................................................................... 21 Ilustración 8: Torno manual Jashöne M180E. ............................................................................. 21 Ilustración 9: Torno manual quantum D 250 x 550 E. ................................................................. 21 Ilustración 10: Torno CNC Pinacho ST225. .................................................................................. 22 Ilustración 11: Fresadora manual Lagun. .................................................................................... 22 Ilustración 12: Fresadora CNC Optimum mill F3 de Siemens. ..................................................... 23 Ilustración 13: Logotipo de la empresa de software PTC. ........................................................... 23 Ilustración 14: esquema de las medidas principales de la llanta delantera. .............................. 30 Ilustración 15: dimensiones del rodamiento 6205 2RSH (SKF, 2020) ......................................... 31 Ilustración 16: distancia entre ejes de la suspensión. ................................................................. 31 Ilustración 17: esquema de las punteras y la llanta (sin casquillos). .......................................... 32 Ilustración 18: esquema de la primera alternativa para el eje delantero. .................................. 33 Ilustración 19: esquema de la segunda solución para el eje delantero. ..................................... 34 Ilustración 20: esquema de la tercera solución para el eje delantero. ....................................... 34 Ilustración 21: posible eje delantero con dos escalonamientos (corte por el plano medio). ..... 35 Ilustración 22: esquema de la cuarta solución del eje delantero. .............................................. 35 Ilustración 23: esquema de la cuarta solución del eje delantero (montaje habitual). ............... 36 Ilustración 24: posible eje delantero con un escalonamiento sin el cilindrado interior (corte por el plano medio). .......................................................................................................................... 36 Ilustración 25: esquema del montaje del disco. ......................................................................... 39 Ilustración 26: diagrama base del brazo de la puntera. .............................................................. 42 Ilustración 27: puntera derecha de la horquilla de la suspensión delantera de Andreani MHS. 43 Ilustración 28: puntera derecha de la edición de 2016. ............................................................. 44 Ilustración 29: posible puntera izquierda. .................................................................................. 50 Ilustración 30: eje delantero. ...................................................................................................... 62 Ilustración 31: montaje del eje delantero (visto trasera de la sección del plano de los ejes de la horquilla)). ................................................................................................................................... 63 Ilustración 32: modelo CAD del disco de freno delantero. ......................................................... 64 Ilustración 33: esquema base de la puntera. .............................................................................. 65 Ilustración 34: corte de la puntera por el plano medio. ............................................................. 66 Ilustración 35: ranura trapezoidal de la junta tórica. .................................................................. 67 Ilustración 36: diseño de la puntera derecha. ............................................................................ 67 Ilustración 37: propiedades principales del aluminio 7075-T6. .................................................. 69 Ilustración 38: ensamblaje 3D del tren delantero....................................................................... 70 16 1.2.2 Kit MotoStudent La propia organización proporciona a todos los equipos participantes de cada categoría el mismo Kit MotoStudent. Todos los prototipos desarrollados para la competición deben de montar obligatoriamente los componentes de este kit. Su objetivo es que la competición sea la más justa posible, reduciendo el efecto las diferencias económicas entre los equipos participantes. De esta manera, la organización quiere primar el trabajo de diseño de ingeniería sobre el presupuesto, que es de lo que se trata en una competición académica. El Kit MotoStudent de la presente edición está compuesto por los siguientes elementos: • Motor de combustión interna KTM RC250 o motor eléctrico MS Engiro • Pinzas y bombas de freno (delantero y trasero) • Un juego de neumáticos slick delantero y trasero • Centralita de gestión del motor en el caso de la categoría Petrol • Dispositivo Vigilante de aislamiento (IMD) en el caso de la categoría Electric. En lo que se refiere a este proyecto, el elemento que condiciona el diseño es la pinza del freno delantero, proporcionada por J.Juan Racing. En el anexo B se encuentran datos adicionales de este producto en concreto (Moto Engineering Foundation, J.Juan Racng, 2019). 1.2.3 Bizkaia ESIBilbao Bizkaia ESIBilbao es el equipo de MotoStudent de la Escuela de Ingeniería de Bilbao. Hasta ahora ha participado en todas las ediciones de la competición en la categoría Petrol, fabricando seis prototipos (en la primera edición se fabricaron dos). Sin embargo, en esta sexta edición el equipo expande sus horizontes participando en las dos categorías de la competición. Por lo tanto, se puede afirmar que el equipo posee cierta experiencia a la hora de diseñar y fabricar motocicletas de competición. Esta experiencia ha sido determinante a la hora de tomar algunas decisiones, como puede ser la elección de la suspensión delantera. 17 Ilustración 4: Logotipo del equipo Bizkaia ESIBilbao. Como no se cambia de motor en la categoría Petrol (la pasada edición se utilizó el mismo modelo KTM RC250) y el buen resultado de la pasada edición, donde el piloto estuvo a gusto con el prototipo, el equipo ha decidido ir sustituyendo los nuevos componentes en la anterior motocicleta en vez de empezar desde cero. Esta decisión posibilita al equipo hacer más pruebas en circuito, con lo que se pueden comprobar las nuevas piezas que se monten y tener un feedback más exacto de parte del piloto sobre ese cambio en concreto. Una de las piezas que se ha decidido no cambiar es la horquilla de la suspensión delantera porque el piloto terminó contento con su comportamiento. Por lo tanto, se han adquirido dos horquillas delanteras nuevas de este modelo del fabricante Andreani MHS para los dos prototipos. De hecho, este modelo fue el mismo que la organización propuso en un kit opcional en la pasada edición. En el anexo II se encuentra más información sobre esta horquilla (Andreani MHS, Moto Engineering Doundation, 2017). Aunque se mantiene la horquilla delantera, la pinza del freno delantero del kit MotoStudent es diferente en esta edición, y no se puede montar en la horquilla porque la distancia entre los tornillos de anclaje (interaxis) de la nueva pinza es menor. Esta diferencia ha creado la necesidad de una nueva puntera que se adecue a dicha pinza, que se diseñaría y se fabricaría a medida para el equipo. Por otro lado, en esta edición las llantas del prototipo son de libre elección. Para que éstas sean lo más ligeras posibles, se han adquirido llantas de magnesio, aunque su precio sea mayor. De esta manera se consigue reducir la masa no suspendida del tren delantero, factor que beneficia la dinámica del prototipo. Las llantas que utilizarán los prototipos serán del fabricante Oz Motorbikes. Por otro lado, se repite el modelo de carenado de la anterior edición: Moriwaki MD 250. 18 1.2.4 Tren delantero inferior El tren delantero es el conjunto de elementos que se encuentran en la parte frontal de la motocicleta. Dependiendo del tipo de suspensión delantera, los elementos que completan el conjunto son diferentes. Sin embargo, en este apartado solo se centra en la horquilla telescópica, dado que es el tipo de suspensión que más se utiliza y se ha utilizado en todos los prototipos del equipo. Por ejemplo, en la ilustración 5 se muestra el modelo CAD de la motocicleta de la V edición de MotoStudent del equipo de la Escuela de Ingeniería de Bilbao. El tren delantero engloba todos los componentes que se montan en la parte frontal del chasis (rojo) o delante suyo. Por un lado, está el sistema de dirección, compuesto por el manillar (marrón), semimanillar (violeta), tija superior e inferior (verde turquesa) y el eje de dirección (gris). Aunque en la ilustración están ocultos, entre el eje de la dirección y la pipa del chasis se montan dos rodamientos para su funcionamiento adecuado. Asimismo, las tijas y los semimanillares se sujetan en las horquillas de la suspensión delantera. Tal y como se ha mencionado, en este prototipo se utiliza una suspensión delantera tipo horquilla telescópica. Éste permite el movimiento vertical de la rueda delantera para mantener en todo momento el contacto con la carretera. El modelo del montaje es el mismo que se utiliza en la presente edición, adquiridos al proveedor Andreani MHS. Ésta es una horquilla invertida, pues la botella (negro) está en la parte superior, sujeta a las tijas, mientras que las barras (blanco) sobresalen por debajo. Estas barras se deslizan dentro de las botellas, posibilitando dicho movimiento vertical. Aunque son más caras, las horquillas invertidas mejoran el comportamiento dinámico del tren delantero, dado que reducen su masa suspendida. Adicionalmente, en el interior de estas horquillas se encuentran el muelle y un cartucho que permite una respuesta más rápida. Las barras de la horquilla se amarran en las dos punteras de la suspensión (gris claro). A su vez, estas dos punteras tienen un alojamiento para el eje delantero (naranja), donde se monta la llanta delantera. Por último, la pinza del freno delantero (azul) se monta en la puntera derecha y el disco de freno en la llanta. Los componentes que se encuentran por debajo de la suspensión delantera componen el tren delantero inferior. Éstos son las dos punteras, el eje delantero, la llanta delantera, el neumático de la llanta, los casquillos separadores de la llanta, el disco de freno y la pinza de freno delantero. 19 Ilustración 5: tren delantero (prototipo 2018). 1.2.5 Masa suspendida y masa no suspendida La razón por la que interesa que la masa no suspendida sea la menor posible es que ésta realiza movimientos más amplios, que afectan en gran medida al comportamiento dinámico de la moto y de la suspensión delantera en este ejemplo concreto. La masa suspendida es toda la masa que es soportada por la suspensión (trasera y delantera, en el caso de la motocicleta), mientras que la no suspendida es la masa que está por debajo de la suspensión, soportada por el suelo. 20 Ilustración 6: Masa suspendida y masa no suspendida. Para un buen comportamiento dinámico se trata de que la relación entre la masa suspendida y no suspendida sea lo más alta posible. En el caso de encontrar un bache en la carretera, la rueda delantera ascendería, e, incluso después de sobrepasar el bache, seguiría con esa tendencia debido a las fuerzas de inercia, pudiendo perder la tracción en la rueda. Por lo tanto, el muelle de la suspensión delantera se comprimiría y ejercería una fuerza a la masa no suspendida en el sentido contrario. Dicha tendencia ascendente depende principalmente de la masa no suspendida. Si ésta pesase más, y el muelle de la suspensión fuese el mismo, a la rueda le costaría más volver a tocar el suelo y ganar tracción. Esto perjudicaría el comportamiento dinámico de la moto y el confort del piloto en un bache. En el caso del tren delantero inferior, la masa no suspendida es toda aquella que está por debajo de la botella de la horquilla. Es decir, la pinza del freno delantero, el disco de freno, el eje delantero, los casquillos diferenciadores, la llanta de la rueda delantera, el neumático y las punteras. Por lo tanto, para diseñar o adquirir estos elementos interesa que su peso sea pequeño. 1.2.6 Recursos disponibles del equipo Seguramente la parte más relevante para este proyecto es la maquinaría disponible por todos los elementos que se fabrican para el prototipo. Para ello, el equipo dispone de las habituales herramientas de taller, taladros, sierras radiales, herramientas de medición y una soldadora tipo TIG, entre otros. Por otro lado, en el taller interdepartamental se encuentran las principales máquinas para la fabricación. Los más destacados son los siguientes: • Una sierra de cinta eléctrica. Se utiliza principalmente para cortar barras o tubos que pueden ser la base del eje o los casquillos. 21 Ilustración 7: Sierra de cinta Optimum S 100 G. • Dos tornos manuales, para realizar operaciones simples. Ilustración 8: Torno manual Jashöne M180E. Ilustración 9: Torno manual quantum D 250 x 550 E. • Un torno CNC de 4 ejes con cambiador de herramientas y herramienta motorizada. 22 Ilustración 10: Torno CNC Pinacho ST225. • Una fresadora manual, de gran robustez y movimientos amplios. Ilustración 11: Fresadora manual Lagun. • Una fresadora CNC de 3 ejes. 23 Ilustración 12: Fresadora CNC Optimum mill F3 de Siemens. En lo que se refiere al material, el equipo almacena en su taller una gama de barras y tubos de acero, acero inoxidable y aluminio de distintas dimensiones. Por otra parte, el equipo dispone de licencia de PTC Creo 5. Este software será utilizado a lo largo del proyecto para realizar diseños, planos, análisis y simulaciones de fabricación. Para estos fines el programa dispone de módulos CAD, CAM y MEF. Ilustración 13: Logotipo de la empresa de software PTC. Además del acceso a los mencionados talleres, los integrantes del equipo también tienen acceso al centro de cálculo del departamento de ingeniería mecánica. En esta sala se disponen de ordenadores con el mencionado software. 24 1.3 Objetivos y alcance del proyecto El objetivo principal de este proyecto es diseñar y fabricar una puntera competitiva para el equipo de MotoStudent Bizkaia ESIBilbao. Este componente debe de adecuarse tanto a la horquilla de la suspensión delantera como a la pinza del freno delantero. Además, interesa que su peso sea lo menor posible, estableciendo como meta reducir en 100g el peso de la puntera original de Andreani MHS. Esta pesa 525g, por lo que el peso objetivo de este componente es de 425g. Asimismo, es importante que el producto inspire confianza al piloto y que esté a gusto con las sensaciones que le produce. Por otro lado, además de la puntera también se tendrán que definir los demás componentes del tren delantero inferior. Estos son el eje delantero, los casquillos diferenciadores del eje delantero, el disco de freno delantero y la puntera izquierda de la horquilla de la suspensión delantera. Todos estos elementos aún no están definidos, por lo que habrá que decidir si diseñar y fabricarlos en el taller de la universidad o adquirirlos en una empresa externa. Para diseñar los componentes, se tendrá en cuenta que estos deberán soportar la situación más crítica para el tren delantero, es decir, tendrán que soportar una frenada de 1.6g. Esta deceleración es la máxima que se producirá en la moto, dado que en ese momento la motocicleta haría lo que se denomina coloquialmente como caballito invertido. Es decir, en ese momento la rueda trasera de la motocicleta pierde el contacto con el suelo y la motocicleta empieza a rotar en el plano vertical sobre la rueda delantera. Asimismo, esta carga que soportan los componentes es variable, por lo que será necesario hacer un análisis de fatiga. Para realizar los diferentes análisis a lo largo del proyecto, se utilizará principalmente el método de elementos finitos, y para ello se utilizará el software PTC Creo 5. Además, la normativa de la VI Competición de MotoStudent (Moto Engineering Foundation, 2019) establece que en la rueda delantera será necesaria una fuerza de frenada mínima de 0.3kN, o el prototipo no se considerará apto para competir en el evento final. Por otra parte, el diseño realizado deberá de poder fabricarse en el taller de la Escuela con los medios disponibles. Para diseñar el proceso de fabricación de los diferentes elementos, se utilizará el módulo CAM del programa PTC Creo 5. Por lo tanto, cuando se proceda a diseñar un componente, se deberá de tener en cuenta como se fabricará. Asimismo, se persigue que el montaje del conjunto sea lo más sencillo posible, para reducir el tiempo de montar y desmontar de la rueda delantera. 25 Adicionalmente, se tratará de terminar el proyecto lo antes posible para poder montarlo en el prototipo y así observar su comportamiento en las pruebas en pista o circuito. Finalmente, se debe tener en cuenta que el presupuesto del equipo está limitado por los patrocinios obtenidos a lo largo del curso, por lo que se intentará de minimizar los costes. 32 1.6.1 Eje delantero El eje delantero será una de las piezas que se fabricará en el taller de la universidad, ya sea en el torno CNC o en un torno manual. Por lo tanto, interesa que este componente sea sencillo, para facilitar su fabricación. Junto con esta pieza se fabricarán el o los casquillos separadores necesarios para limitar el desplazamiento axial de la llanta. En la ilustración 17 se muestra esquemáticamente la situación actual de la llanta (gris) y las punteras (azul). Como se ha decidido prescindir de los casquillos originales de la llanta delantera OZ Motorbikes, el alojamiento del eje delantero de la llanta es de 25 mm, definido por los rodamientos de ésta. Los rodamientos de la llanta son rígidos de bolas, modelo 6205 2RSH, con un diámetro interior de 25mm. El fabricante SKF recomienda una tolerancia j6 para este tipo de rodamientos con cargas normales (SKF, 2020). Por otro lado, aunque es necesario una puntera nueva debido a la nueva pinza de freno delantero, se puede utilizar la puntera izquierda de la suspensión de Andreani. En este caso, la puntera izquierda tiene un alojamiento del eje delantero de 20 mm y la separación entre esta puntera y la llanta es de 10 mm. Por último, el alojamiento del eje de la puntera derecha aún no se ha definido. Ilustración 17: esquema de las punteras y la llanta (sin casquillos). 33 La primera solución que se plantea es, utilizando la puntera izquierda original de Andreani MHS, diseñar un eje delantero de un diámetro exterior de 20 mm y utilizar dos casquillos separadores que se introducen en la llanta. Esta alternativa se muestra en la ilustración 18. Este planteamiento facilita la fabricación del eje delantero, dado que el diámetro exterior no varía. Sin embargo, el eje delantero trabaja principalmente a flexión, por lo que para minimizar su peso se debería aumentar el diámetro exterior. Por otro lado, la fabricación de estos dos casquillos es más laborioso y el montaje de la rueda delantera se complica. El eje delantero es hueco para aligerarlo, dado que el material cercano al centro apenas trabaja. Por último, en ambos lados se utilizan dos tuercas para limitar el movimiento axial. Sin embargo, de esta manera también se limita el movimiento axial de las horquillas. Esto puede crear problemas en la suspensión, dado que las horquillas telescópicas no están diseñadas para resistir momentos flectores, solo esfuerzos de tracción y compresión. Ilustración 18: esquema de la primera alternativa para el eje delantero. Por otro lado, utilizando escalonamientos o cambios de sección se puede reducir el uso de los casquillos. Esta solución es muy habitual y es la que se ha utilizado en las pasadas ediciones. Lo más frecuente es utilizar un cambio de sección, con la parte más estrecha en lado roscado con el tornillo de sujeción del eje delantero junto a la puntera con la pinza. No obstante, esta solución no es la ideal para este caso, porque el lado ancho (la puntera izquierda) sería de un diámetro de 20 mm, mientras que el alojamiento de la llanta es de 25 mm. Para ahorrar el uso de casquillos se plantea utilizar un cambio de sección para cambiar el diámetro exterior del eje de 20 mm a 25 mm justo después de la puntera izquierda, (ver ilustración 19). Esta opción permite conseguir una mayor inercia con menos peso, pues el diámetro exterior es mayor. Sin embargo, no se reduce el uso de los casquillos, pero ya no es necesario utilizar dos tuercas para limitar el movimiento axial de la llanta. 34 Ilustración 19: esquema de la segunda solución para el eje delantero. Por otro lado, utilizando un segundo cambio de sección de 25 mm a un máximo 30 mm (por el anillo interior del rodamiento), se ahorraría el casquillo derecho. Con este diseño, para aligerar el eje delantero, se cilindraría o perforaría su interior como se muestra en la ilustración 20. De esta forma se reduce el material central, que es el que menos trabaja bajo flexión. En su contra, la herramienta para cilindrar el interior debe ser larga, y eso puede acarrear problemas debido al voladizo de la herramienta o dificultad para encontrar una adecuada. La otra opción es utilizar brocas para realizar estas perforaciones. Por otro lado, estos dos escalonamientos complican la fabricación y aumentan las concentraciones de tensión. Ilustración 20: esquema de la tercera solución para el eje delantero. 35 Ilustración 21: posible eje delantero con dos escalonamientos (corte por el plano medio). Por otro lado, en caso de fabricar también la puntera izquierda, se puede aumentar el diámetro del alojamiento del eje delantero de esta pieza. Si este diámetro fuese de 25mm, se evitaría el primer escalonamiento de la anterior solución, simplificando el diseño y la fabricación del eje (ver ilustración 22). Además, esta opción permite poder aprovechar mejor el material del eje, porque un mayor diámetro exterior en el eje aumenta la inercia y, por lo tanto, se puede obtener la misma resistencia con menos material. Asimismo, se evita un cambio de sección que provoca una concentración de tensión. Esta opción es la más interesante porque permite aligerar al máximo el eje delantero, optimizando su diseño, pero requiere el desarrollo de una nueva puntera izquierda. Ilustración 22: esquema de la cuarta solución del eje delantero. Por otra parte, si se invierte el montaje del eje, es decir, con el lado ancho en la puntera izquierda, se consigue el diseño más habitual, con la tuerca junto a la puntera de la pinza. En este caso el alojamiento del eje delantero de la puntera izquierda es de 30 mm de diámetro y el de la puntera derecha de 25 mm. Este montaje se muestra en la ilustración 23. 36 Ilustración 23: esquema de la cuarta solución del eje delantero (montaje habitual). En la ilustración 24 se muestra un posible eje delantero, que se podría fabricar partiendo de una barra perforada. A este eje se le podría realizar un cilindrado interior en la parte más ancha para reducir su peso, como se ha mostrado en el esquema de ilustración 22 o en la tercera solución (ver ilustración 21). En este caso no hay que recurrir a una herramienta larga para este cilindrado, pues es de menor longitud. Ilustración 24: posible eje delantero con un escalonamiento sin el cilindrado interior (corte por el plano medio). 37 En lo que se refiere al material, se puede valorar utilizar tanto el aluminio como el acero o el acero inoxidable. El aluminio tiene a su favor su facilidad para mecanizar, mientras que el acero, especialmente el inoxidable, puede llegar a ser bastante duro y tedioso para mecanizar, con profundidades de pasadas y velocidades de corte más moderados. Además, el aluminio es el material más ligero y se reduciría la masa no suspendida. Por otra parte, el acero inoxidable es el más resistente con diferencia, y se podría reducir su desventaja del peso perforándolo por el centro, dado que el eje delantero trabaja principalmente a flexión, por lo que la parte central apenas trabaja y más que aportar resistencia aporta peso. Cabe destacar que hasta ahora en todas las ediciones el equipo siempre ha optado por fabricar el eje delantero de acero inoxidable con buenos resultados. Por último, el eje se puede roscar en sus dos extremos o tan solo en uno. Apretando con dos tuercas se fijan tanto la llanta como las dos horquillas en el eje, y la rueda estaría preparada para hacer frente a fuerzas axiales que podrían surgir, por ejemplo, al pasar sobre un bache en una curva con la moto tumbada. Sin embargo, en realidad no hay necesidad de fijar las horquillas, solo con la llanta sería suficiente, porque el único elemento que sufriría esa fuerza axial sería la llanta. Si ocurriese lo contrario, es decir, si las horquillas estuviesen bajo la acción de una fuerza axial, su forma de trabajar sería indeseada, porque las horquillas no están diseñadas para aguantar esfuerzos a flexión, solo la compresión y tracción que estén en el eje de la horquilla. 1.6.2 Disco de freno delantero El disco de freno delantero ha de ser una aleación de acero, y con una buena refrigeración, puesto que el piloto utiliza principalmente el freno delantero. Deberá ser del mayor diámetro posible para poder así conseguir un mayor par de frenada con la misma presión ejercida por la pinza. Este diámetro máximo está fijado por la propia pinza de freno delantero suministrada por la organización, siendo este de 320 mm. Además, la propia pinza requiere que el disco de freno delantero tenga un espesor mínimo de 4.5 mm y un espesor máximo de 5 mm. Por otra parte, existe una tolerancia de ±0,5 mm en el posicionamiento del disco delantero (Moto Engineering Foundation, J.Juan Racng, 2019). El disco de freno delantero se puede fabricar en el taller de la universidad o se puede adquirir un componente comercial, que es lo que se ha hecho en las anteriores ediciones. En este caso el diseño del mismo sería acondicionado a las necesidades del equipo. El disco necesita 6 anclajes para los tornillos de M6 situados en una circunferencia de 80mm, separados por 60°. 38 Para analizar las posibles interferencias entre la pinza y la llanta y entre el disco y la suspensión se ha realizado un esquema del montaje de estos elementos. En el siguiente diagrama se han dibujado esquemáticamente la llanta delantera (azul), la pinza del freno delantero (amarillo), el disco de freno delantero, la parte inferior de la suspensión (gris) y los ejes principales del sistema (llanta, eje delantero y botella de la suspensión). Por un lado, tenemos la distancia entre el eje de la botella y el eje de simetría de la llanta (el plano central de la rueda o moto). Esta distancia está fijada por las tijas y es de 87.5 mm. Por otro lado, la pinza tiene un offset de 30 mm (Moto Engineering Foundation, J.Juan Racng, 2019). El offset es la distancia desde los apoyos de la pinza y el plano central del disco de freno (o pastillas). Además, este modelo tiene una anchura de aproximadamente 39mm desde dicho plano hasta el extremo de la pinza. Finalmente está la llanta delantera, cuyos radios miden unos 30 mm de ancho y la distancia entre el plano central al plano de apoyo del disco es de 50.5mm. El espesor del disco es e, y depende de la elección del mismo. 39 Ilustración 25: esquema del montaje del disco. Para evitar que la pinza colisione con los radios, es necesario un espacio entre ellos. Este espacio se ha denominado x. Por otro lado, la suspensión baja en las frenadas. La parte inferior de la suspensión es también la más ancha, de un diámetro de 54 mm, y se ha de asegurar que no impactará con el disco de freno. Para ello, la distancia desde el eje de la suspensión y la cara exterior del disco ha de ser mayor que 27 mm. Esta distancia se ha denominado y. A su vez se ha definido un parámetro llamado desvío (d), para referirse a la distancia entre el eje de la suspensión y el plano de los tornillos de sujeción de la pinza. Por último, la variable a hace referencia a la separación necesaria entre la cara interna del disco y la llanta. Para conseguir la separación a se puede utilizar un disco plano y utilizar separadores de disco, o montar directamente un disco con la campana adecuada. La campana es la medida entre la cara de apoyo del disco y la cara interna donde presionan las pastillas. 40 Para evitar la interferencia entre la llanta y la pinza y entre el disco de freno y la suspensión x e y tienen que ser mayores que cero. Por otro lado, la separación entre el disco y la llanta tiene que ser igual o mayor que cero para que el montaje sea posible. La separación entre la pinza ya la llanta se determina con la siguiente expresión: 15 + 𝑥 + 39 +30 + 𝑑 = 87.5 𝑥 + 𝑑 + 84 =87.5 𝑥 = 3.5 − 𝑑 (1) La separación entre el disco de freno y la suspensión se define de la siguiente manera: 27 + 𝑦 + 𝑒 2=30 + 𝑑 𝑦 = 3 − 𝑒 2+ 𝑑 (2) Por otro lado, la separación entre el disco y la llanta es: 50.5 + 𝑎 + 𝑒 2+30 + 𝑑 = 87.5 𝑎 = 7 − 𝑒 2− 𝑑 (3) Observando las ecuaciones se puede deducir que el espesor del disco de freno debe ser la menor posible, para aumentar el espacio entre el disco y la suspensión. Por otro lado, un desvío positivo de la puntera reduce la separación entre la llanta y la pinza, pero aumenta la separación entre el disco y la suspensión. Por lo tanto, se ha de encontrar una medida para el desvío que proporcione un buen equilibrio entre las dos separaciones. Por último, de las ecuaciones se deduce que a es mayor que x, por lo que si x es mayor que cero a también lo será. Hasta ahora siempre se ha adquirido discos de frenos comerciales, obteniendo buenos resultados. Se han analizado los productos del proveedor Galfer (Galfer, 2019). Dentro de su catálogo, en nuestro prototipo se podría utilizar alguno de los siguientes modelos: 41 Tabla 1: discos de freno delanteros de Galfer. Disco Espesor (mm) N.º anclajes Ø anclaje (mm) Campana (mm) Ø exterior (mm) Ø interior (mm) Peso (kg) Precio (€) (sin IVA) DF870CW 4,5 6 80 0 300 64 1,17 204 DF472FLQ 5 6 80 0 300 64 1,386 225 DF552W 5 6 80 0 300 64 1,433 136,82 DF800CW 5 6 80 0 300 64 1,146 204 DF817CWD 5 6 80 0 320 64 1,358 204 Como se puede observar, la única opción válida es el disco plano, puesto que las opciones con campana tienen una campana demasiado grande (amin=9.5 mm) y ocurriría la colisión entre el disco y la suspensión. En el caso de optar por un disco estrecho, con un espesor de 4.5 mm, la única opción es el DF870CW, mientras que con un espesor de 5 mm las opciones son varias, siendo la más interesante la última, el disco DF817CWD, dado que es el de mayor diámetro exterior y el más ligero de ese espesor. Por otro lado, el disco estrecho es el más ligero de todos, con una diferencia de casi 0.2 kg, pero su diámetro exterior es menor, de 300 mm. 1.6.3 Puntera derecha La puntera que se diseñe debe ser compatible con la pinza de freno delantero, la botella de la suspensión, la llanta delantera, el eje delantero y el disco de freno delantero. Se puede decir, por lo tanto, que es la pieza que más condiciona el diseño. 1.6.3.1 Brazo de la puntera Se define como brazo de la puntera la parte de la pieza que sujeta la pinza de freno. El brazo dispone de dos agujeros roscados para montar la pinza, y la une con la base de la puntera, la parte donde se aloja la suspensión y el eje delantero. La longitud de este brazo es función del diámetro del disco de freno que se escoja y las dimensiones de la pinza y pastillas de freno. Con la longitud de brazo adecuada, la curva superior de las pastillas coincide con el diámetro exterior del disco de freno. En la pinza proporcionada por la organización la distancia entre esa curva y la cara donde la pinza apoya en la puntera, es decir, en el brazo, es de 33 mm. Por lo tanto, el brazo de la puntera es igual a (𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜) ⁄ 2 − 33. 48 A continuación, se ha elaborado una tabla con las principales características mecánicas de las principales aleaciones de las series 2000, 5000, 6000 y 7000. La maquinabilidad se ofrece en porcentaje, en una escala de 0 a 100 de las aleaciones de aluminio. La resistencia a fatiga proporcionada es la obtenida en ensayos de Moore, para una vida útil de 5 × 108ciclos. La soldabilidad hace referencia a la capacidad de la aleación para ser soldado mediante soldadura TIG. Los dos primeros datos se han obtenido de Matweb, (Matweb, 2020), mientras que la soldabilidad es característica de la familia. 49 Tabla 3: propiedades de diferentes aleaciones de aluminio. Aleación Maquinabilidad (%) Resistencia a fatiga (MPa) Soldabilidad 2014-T6 70 124 Mala 2017-T4 70 124 Mala 2024-T3 70 138 Mala 2024-T4 70 138 Mala 2124-T851 70 125 Mala 2029-T81 30 103 Mala 5052-0 30 110 Excelente 5052-H38 50 138 Excelente 5083-0 30 150 Excelente 5083-H116 30 159 Excelente 5086-0 30 145 Excelente 5086-H116 30 150 Excelente 6061-T4 50 96.5 Buena 6061-T6 50 96.5 Buena 6063-0 30 55.2 Buena 6063-T6 50 68.9 Buena 7075-T6 70 159 Mala 7075-T73 70 150 Mala 7178-T6 70 150 Mala 1.6.4 Puntera izquierda En este caso no hay necesidad de una puntera nueva, dado que la puntera izquierda original de Andreani cumple con los requerimientos. Sin embargo, el alojamiento del eje delantero de esta pieza es de 20 mm de diámetro, por lo que sería necesario el cambio de sección mencionado anteriormente. Para evitarlo, se podría fabricar una puntera izquierda con un alojamiento para el eje delantero de 25 mm. Como sucede con la otra puntera, esta también necesita una operación en el torno CNC para poder producir la rosca de M35x1. Además, el eje de la botella y el eje delantero de la rueda, es decir, el alojamiento del eje delantero, tienen que ser perpendiculares. 50 Por otro lado, el guardabarros de la rueda delantera también se ancla en la puntera izquierda, por lo que esta necesita disponer de dos salientes u otras soluciones donde se pudiesen poner los dos tornillos para colocar el guardabarros. Para ello se ha planteado utilizar dos orejetas. Estas pueden ser mecanizadas, como en la puntera derecha, o se podrían soldar antes de realizar las operaciones de los alojamientos de la botella y eje delantero. En el segundo caso, al utilizar una soldadura, no se puede utilizar el aluminio 7075. En su lugar se puede utilizar un aluminio soldable, como el 5083. Además, al no haber pinza de freno, las cargas que debe soportar la puntera izquierda son menores que las de la puntera derecha, por lo que aunque la resistencia de este material sea menor, no debería de haber problemas. Por otra parte, en este caso la fabricación del agujero de la botella es más sencillo porque la pieza pude ser revolución, sin el brazo que soporta la pinza. Por lo tanto, se podría tornear el agujero con un cilindrado de interiores y, posteriormente, roscarlo. Ilustración 29: posible puntera izquierda. Una posible solución que cumple con los requisitos es la que se muestra en la ilustración superior. En esta alternativa se ha planteado realizar dos rebajes planos para el apoyo de la tuerca de sujeción y el casquillo separador del eje delantero. 51 1.7 Análisis de riesgos Para determinar y predecir los posibles riesgos que pueden surgir en este proyecto, se va a realizar un análisis modal de fallos y efectos (AMFE). Estos fallos pueden ser originados en el diseño o en la fabricación de los componentes. Para cada uno de los fallos se precisa como puede suceder, y qué efecto puede conllevar. Asimismo, se establecen las medidas de ensayo y control para poder identificar estos fallos. Para analizar la importancia de cada fallo, se utiliza el indicador IPR, el número de prioridad de fallo. Este número se calcula mediante el producto de tres factores: nivel de ocurrencia (O), nivel de gravedad (G) y nivel de detección (D). La ocurrencia significa la frecuencia con la que puede suceder el modo de fallo que se está analizando, la gravedad es el índice de repercusión del fallo y la detección es el nivel de dificultad con la que se puede encontrarlo. A cada uno de estos factores se le asigna un valor de 1 y 10, siendo 1 el más favorable y 10 el menos favorable. Por ejemplo, un fallo que pueda suceder a menudo, que afecte de una manera importante y que sea difícil de encontrar, tendría un IPR de 1000 (O=10, G=10, D=10). Por último, se exponen las acciones correctoras para evitar o prevenir dichos fallos. El AMFE se ha dividido por componentes para que sea más sencillo de interpretar. Se han analizado los siguientes componentes: • Eje delantero • Puntera derecha • Puntera izquierda 52 1.7.1 Eje delantero En el eje delantero el fallo más relevante es la rotura del eje por falta de resistencia, porque en este caso sería imposible circular y provocaría una caída. Esta rotura puede suceder debido a la propagación de una grieta, puesto que el eje delantero trabaja a fatiga, y tiene cambios bruscos de diámetro (1 o 2, según el diseño) que provocan concentraciones de tensión. La creación y propagación de esta grieta puede ser a causa de una insuficiente resistencia mecánica del eje delantero. Esta falta puede ser causado por los siguientes factores: • La resistencia del eje puede ser insuficiente si las cargas de diseño son inferiores a las reales. Por lo tanto, es imprescindible realizar un estudio adecuado de la mecánica del eje para conocer las solicitaciones. • Un dimensionado insuficiente reduce la inercia del eje, aumentando las tensiones que debe soportar. Mediante análisis MEF o aplicando la teoría de resistencia de materiales se pueden obtener estas tensiones, y, en caso de que sean altas se debe rediseñar el eje. • Interpretar de manera errónea los resultados de los análisis MEF que se realizarán y aplicar incorrectamente los distintos coeficientes de fatiga, conlleva calcular una resistencia incorrecta, que puede ser muy diferente a la real. • Las propiedades del material afectan enormemente a la resistencia del eje, por lo que se deben estudiar correctamente y, si es necesario, cambiar el material del eje delantero por uno más resistente. Por otra parte, si el eje no es muy rígido, ya sea porque el material sea demasiado elástico o la inercia es pequeña por el dimensionamiento, se puede deformar excesivamente. Esto empeora la conducción y puede crearle inseguridad al piloto. 53 En lo que se refiere al montaje del eje, para los rodamientos se debe utilizar la tolerancia recomendada por el fabricante (SKF). En la acotación del eje se ha de corroborar que el diámetro es el adecuado. Por otro lado, este fallo se puede crear por una mala fabricación del eje, que se detecta en la medición del control de calidad. En este caso se debe corregir el proceso de mecanizado y se tratará de corregir la pieza. Por otro lado, en el montaje puede aparecer una holgura axial si las longitudes del eje son incorrectas y los cambios de diámetro no funcionan bien como topes. En el montaje CAD se puede detectar este fallo para poder corregir las dimensiones. Sin embargo, también puede crearse por una mala fabricación. En este caso se debe revisar el proceso de fabricación. Por último, una mala elección de las herramientas o parámetros de corte puede causar un acabado defectuoso, que se detecta en el control de calidad del torneado. Si la calidad es insuficiente, se deben corregir los parámetros de corte del proceso de mecanizado. Tabla 4: AMFE eje delantero. Pieza N.º fallo Fallos potenciales Estado actual Acción correctora Modo de fallo Efectos Causas Medidas de ensayo y control O G D IPR Eje delantero 1.1 Resistencia insuficiente Rotura del eje Caracterización de fuerzas incorrecta Estudio adecuado del funcionamiento y las solicitaciones 2 10 4 80 Estudio adecuado de la mecánica Dimensionamiento inadecuado Análisis mediante método de elementos finitos 2 10 2 40 Rediseñar/revisar Mala interpretación de los resultados Análisis mediante método de elementos finitos 2 10 4 80 Estudio adecuado de la mecánica Mala elección del material Estudiar las propiedades del material y su comportamiento a fatiga 2 10 4 80 Cambiar material 1.2 Rigidez insuficiente Deformación excesiva Mala elección del material Estudiar las propiedades del material 2 8 3 48 Cambiar material Mal dimensionamiento Análisis mediante método de elementos finitos 2 8 2 32 Rediseñar/revisar 1.3 Montaje inadecuado Juego en los rodamientos Mal dimensionamiento Montaje del conjunto CAD/Acotar 3 9 3 81 Corregir los diámetros y el apriete/juego Fabricación incorrecta Control de calidad 4 9 2 72 Reparar/volver a fabricar Holgura axial en el eje Mal dimensionamiento Montaje del conjunto CAD 2 9 2 36 Rediseñar Fabricación incorrecta Control de calidad 3 9 2 54 Reparar/volver a fabricar 1.4 Mala calidad Acabado defectuoso Mala elección de los parámetros de corte o herramientas Control de calidad 3 5 2 30 Cambiar parámetros 1.7.2 Puntera derecha En primer lugar, se clasifican los fallos que están relacionados con los cálculos de la puntera. Tal y como sucede en el eje delantero, el fallo más grave vuelve a ser la rotura de la puntera, provocada por una falta de resistencia mecánica de la misma. Las razones, formas de encontrarlos y corregirlos son las mismas que en el eje delantero, y se debe realizar un seguimiento para asegurar que no aparecen grietas superficiales en las zonas críticas. Por otro lado, en esta pieza se debe asegurar que no va a haber problemas de vibraciones indeseadas en la frenada. Para ello, se debe asegurar que las frecuencias de los modos de vibración que interesen sean lo suficientemente altas como para que las vibraciones no afecten en la realidad. Por último, las deformaciones de la puntera pueden empeorar la frenada, por lo que se hará un análisis MEF para calcular las deformaciones de la puntera. Si el problema está en el material se buscará un material más rígido, pero también se puede cambiar el diseño de la puntera para reducir las deformaciones. En segundo lugar, están los fallos de la geometría que pueden originarse en el diseño o en la fabricación. Estas se pueden identificar mediante el montaje del conjunto (CAD) o en el control de calidad del proceso de fabricación. En el primero de los casos se cambiará el diseño para evitar el fallo, mientras que en el segundo se variará el proceso de fabricación. Estos fallos geométricos son los siguientes: • Brazo insuficiente: el disco excede la zona de las pastillas de la pinza y no puede montarse al interferir el disco con un resalte interior de la pinza. En este caso se utilizarían casquillos o arandelas para aumentar el brazo. • Brazo excesivo: el montaje es posible, pero la frenada se empeora porque las pastillas contactan con menos superficie. • Interaxis inadecuado: basta decir que la puntera derecha es para conseguir que esta dimensión sea la de la pinza, porque si no, no se puede montar. Además, conviene que la línea perpendicular al punto medio del interaxis pase por el eje del eje delantero. • Desvío: un mal desvío de la puntera puede provocar interferencias entre la llanta y la pinza o la suspensión y el disco, por lo que no se podría circular. • Rosca defectuosa: una mala rosca imposibilita el montaje de la botella. 56 • Montaje inadecuado del eje delantero: este fallo se origina en la falta de perpendicularidad entre el alojamiento del eje delantero y el agujero de la botella. Este error provocaría que el eje delantero no fuese paralelo al suelo, empeorando la conducción. Además, las horquillas de la suspensión delantera no trabajarían bien debido a la fuerza lateral que surgiría en la base de la puntera. Por otro lado, si estos dos ejes no se cortan, para que la motocicleta circule en línea recta manillar debe estar ligeramente girado. Tabla 5: AMFE puntera derecha (1). Pieza N.º fallo Fallos potenciales Estado actual Acción correctora Modo de fallo Efectos Causas Medidas de ensayo y control O G D IPR Puntera derecha 2.1 Resistencia insuficiente Rotura de la pieza Caracterización de las fuerzas incorrecta Estudio adecuado del funcionamiento y las solicitaciones 3 10 3 90 Estudio adecuado de la mecánica Dimensionamiento inadecuado Análisis mediante método de elementos finitos 3 10 2 60 Rediseñar/revisar Mala interpretación de los resultados Análisis mediante método de elementos finitos 3 10 3 90 Estudio adecuado de la mecánica Mala elección del material Estudiar las propiedades del material 2 10 4 80 Cambiar material 2.2 Rigidez insuficiente Deformación excesiva Mal dimensionamiento Análisis mediante método de elementos finitos 3 8 2 48 Rediseñar/revisar Mala elección del material Estudiar las propiedades del material 2 8 2 32 Cambiar material Mala interpretación de los resultados Análisis mediante método de elementos finitos 4 8 3 96 Estudio adecuado de la mecánica 2.3 Vibraciones indeseadas Mal frenado Frecuencia baja del modo de vibración Análisis modal 3 8 3 72 Estudio adecuado de la mecánica 64 Como se observa, son tres ecuaciones y cuatro incógnitas. Para determinar la solución se ha escogido primero la separación entre el disco y la suspensión, y, de 2 mm. De ahí se obtiene que d, el desvío de la puntera, es de 1.25 mm, que x, la separación entre la llanta y la pinza, es de 2.25 mm y que a, la separación entre la llanta y el disco es de 3.5 mm. Para conseguir esta separación se utilizan 6 casquillos de esa longitud, de un diámetro interior de 6 mm y exterior de 10 mm. Con estos valores se obtiene un buen equilibrio entre las separaciones x e y. Ilustración 32: modelo CAD del disco de freno delantero. 1.8.4 Puntera derecha Debido a las elecciones anteriores, se han determinado tanto la longitud del brazo de la puntera, así como el desvío y el tamaño del alojamiento del eje delantero. En la ilustración 33 se muestra el esquema base de la puntera, donde se pueden observar el brazo, el interaxis y el ángulo del brazo de la puntera, siendo esta última de 40°. A partir de este esquema base se ha diseñado la puntera final, con un desvío de 1.25 mm. 65 Ilustración 33: esquema base de la puntera. Se ha diseñado el alojamiento de la botella de la suspensión utilizando las medidas obtenidas en la puntera original de Andreani. Como muestra la ilustración 34, la parte superior es circular, de diámetro 35 mm, con una profundad de 33 mm. A continuación, se sitúa la parte roscada, de M35x100 y 19 mm de longitud. Después, se encuentra una zona cilíndrica de 33 mm de diámetro, donde se alberga la ranura de la junta tórica, que llega hasta una profundidad de 58 mm, medido desde arriba. Por último, está el alojamiento circular para el cartucho de la suspensión, de 26mm de diámetro y 3 mm de profundidad. 66 Ilustración 34: corte de la puntera por el plano medio. Por otro lado, se ha realizado una pequeña variación en la ranura de la junta tórica, debido a la imposibilidad de fabricar una ranura rectangular con las herramientas del taller, pues no se tiene un portaherramientas lo suficientemente largo para una sierra circular. En su lugar, se ha diseñado una ranura trapezoidal que se fabricará con una herramienta de roscado de interiores, de un paso de 3 mm. Para ello se han seguido las recomendaciones de los fabricantes (Epidor, 2019), de donde se ha obtenido que la junta debe salir 0.35 mm en el caso de la ranura rectangular. Se ha utilizado el mismo valor para la ranura trapezoidal, quedando la geometría final tal y como muestra la ilustración 35: 67 Ilustración 35: ranura trapezoidal de la junta tórica. La ranura empieza a 55 mm de profundidad y el ángulo del trapecio es debido a la geometría de la punta de la herramienta (métrica estándar, 60°). Por otro lado, como se observa en la ilustración 34, la puntera tiene un agujero pasante de un diámetro de 10 mm para poder atornillar el cartucho de la suspensión a la puntera. Adicionalmente, el abocardado es de 16 mm y llega hasta una profundidad de 58 mm, medidos desde la parte inferior de la puntera. Ilustración 36: diseño de la puntera derecha. 68 El brazo de la puntera tiene vaciados pasantes para aligerarlo. En principio se planteó que estos tuvieran nervios, para mejorar la resistencia de la pieza, pero se descartó la idea debido al tiempo que se necesitaría para mecanizarlos. Se realizan tres vaciados triangulares con redondeos de 4 y 5 mm en sus vertices, para posteriormente perfilarlos con una fresa de 8 mm. Los agujeros de los tornillos de la pinza son de M10, con una profundidad de 20 mm. Por otra parte, el cuerpo principal, donde se aloja la botella, tiene una geometría cilíndrica para aligerar al máximo el peso de la puntera. Para obtener esta forma se fresará por ambos lados con una fresa larga de 16 mm, que proporcionará redondeos de 8 mm. El alojamiento del eje es de 30 mm, como se definió anteriormente. Para poder apretar el eje delantero se realizará un pequeño corte con una sierra en la parte inferior y con dos tornillos de M6 se conseguirá el apriete necesario. Asimismo, para facilitar la entrada del eje, se ha añadido un chaflán de 1x45°. Para terminar con la geometría, se mecanizarán dos orejetas para sujetar el guardabarros. Por lo tanto, en el diseño se descarta el uso de la soldadura. Respecto al material a utilizar en la fabricación de la pieza, se desea que tenga una buena maquinabilidad, alta resistencia a fatiga y densidad baja. En las alternativas se valoró el uso del acero, titanio y aluminio para la fabricación de la puntera. El titanio, pese a que es el que mejores prestaciones mecánicas ofrece, es el más caro con diferencia. Además, está el problema de su maquinabilidad, lo que aún encarece más su coste y tiempo de fabricación. Adicionalmente, el equipo no tiene experiencia alguna trabajando con este material. Estos factores han descartado el uso del titanio para la fabricación de la puntera. Aunque en principio el acero convencional es más resistente que el aluminio, existen aleaciones de aluminio tratadas casi tan resistente como el acero. Además, el aluminio es mucho más ligero y no tiene problemas de corrosión. Por estas razonas finalmente se utilizará el aluminio para fabricar la puntera. Teniendo en cuenta que no se va a utilizar ninguna soldadura, se puede observar en la tabla 3 que el mejor material para esta pieza es el aluminio 7075-T6, porque tiene una alta maquinabilidad (70%) y la mejor resistencia a fatiga de todas (159MPa). En la ilustración 37 se muestran las principales propiedades de esta aleación, también conocida como zicral (Matweb, 2020). 69 Ilustración 37: propiedades principales del aluminio 7075-T6. 70 1.8.5 Ensamblaje 3D En el software PTC Creo se ha realizado el ensamblaje del tren delantero. Este montaje permite observar el espacio entre los elementos y si las dimensiones son adecuadas. En la ilustración 38 se muestra el montaje de todas las piezas del tren delantero. Ilustración 38: ensamblaje 3D del tren delantero. Para cerciorarse de los espacios entre la pinza, puntera, suspensión y la llanta, se ha realizado un corte perpendicular al disco delantero por el punto medio del interaxis (ver ilustración 39). En esta vista se observa que hay espacio suficiente entre el disco de freno y la suspensión en el movimiento vertical de este último. Por otro lado, para simplificar, en el diseño del modelo CAD de la llanta delantera se ha considerado que los radios de la llanta son de sección rectangular constante. Sin embargo, al alejarse del buje el radio de la llanta se estrecha. En el modelo actual las dimensiones del radio de la llanta son las de su base, es decir, de la zona cercana al buje. Por lo tanto, la separación real entre la pinza de freno y la llanta es mayor. En el ensamblaje CAD existe una separación de 0.25 mm entre los dos elementos, pero debido al estrechamiento del radio esta medida aumenta hasta 2.25 mm. 71 Ilustración 39: ensamblaje 3D (corte). 72 2 METODOLOGIA SEGUIDA EN EL DESARROLLO DEL TRABAJO 2.1 Descripción de las fases En este apartado se explica el procedimiento que se ha seguido durante el proyecto. Se resumen las tres fases principales del proyecto: identificación del problema, solución y fabricación. 2.1.1 Identificación del problema El proyecto comienza identificando el problema de la incompatibilidad entre la pinza de freno proporcionada por la organización y la puntera de la suspensión adquirida. Para solucionarlo se decide diseñar y fabricar una puntera que se adecue al prototipo. A continuación, se realiza un estudio sobre el comportamiento de la puntera y su montaje en la horquilla de la suspensión. Para esto último es necesario desmontar la puntera original de la suspensión de Andreani MHS. Seguidamente se inspecciona el interior de la puntera original y se realizan una serie de medidas para posteriormente reproducir la misma geometría y que sea apta para la horquilla. Asimismo, la puntera une la suspensión y el eje delanteros, aún sin diseñar. En consecuencia, se decide diseñar y fabricar un eje delantero que cumpla con las necesidades del equipo. El diseño del eje delantero y los alojamientos de las dos punteras son dependientes. Por esta razón se plantea diseñar y fabricar una puntera izquierda que permitiría optimizar al máximo el tren delantero inferior del prototipo, minimizando su peso y mejorando su comportamiento. Adicionalmente, los rodamientos de la llanta delantera se montan en el eje delantero. Sin embargo, el proveedor de las llantas no facilitó documentación alguna sobre los productos. Por ello ha sido necesario tomar las medidas geométricas principales de estas e identificar los rodamientos para asegurar el montaje final. A continuación, se procedió a crear una reproducción CAD aproximada de las llantas con las medidas obtenidas. Este diseño CAD posibilita crear el ensamblaje del prototipo en el software PTC Creo. Para terminar con los componentes, se deben determinar el disco de freno delantero y los casquillos necesarios para el correcto montaje del tren delantero. 73 A continuación, se realiza un estudio para identificar y determinar los requisitos que deben cumplir cada una de las piezas del tren delantero inferior y el conjunto en su totalidad. Estos requisitos se determinan a partir de la normativa de la presente edición de MotoStudent, las necesidades geométricas para el correcto montaje y de los requerimientos impuestos a partir de la experiencia del equipo. 2.1.2 Solución A partir de los requisitos se realiza un estudio de las posibles alternativas de diseño para solucionar la problemática. Las piezas que se han de diseñar son dependientes entre sí, y se distinguen dos principales dependencias. Por un lado, el diámetro exterior del eje delantero debe coincidir con los alojamientos de las punteras. Por otro lado, el desvío de la puntera debe ser el adecuado para que en el montaje llanta-disco-puntera-suspensión no exista ninguna interferencia. En este caso, se decide primero determinar el disco delantero con lo cual se establece el desvío de la puntera. Todas las otras dependencias son fijas, es decir, han sido definidas en los requerimientos y son, principalmente, debidos a los componentes ya adquiridos. Por ende, se decide realizar primero el análisis de las alternativas del eje delantero y continuar con el disco de freno, para después seguir con la puntera derecha y terminar con la puntera izquierda. Seguidamente, teniendo en cuenta las alternativas presentadas, se realiza un AMFE de diseño para analizar los posibles fallos que se pueden hacer en el diseño de los componentes y que consecuencias pueden acarrear. Después de analizar las diferentes alternativas, se decide el disco de freno delantero que se adquirirá y el diseño de las piezas que se van a fabricar. A la hora de tomar esta decisión se tienen en cuenta los recursos disponibles del equipo, especialmente la maquinaria y el tiempo disponibles. Para poder analizar el eje delantero y la puntera derecha, las dos piezas que se diseñan y se fabrican durante este proyecto, primero se ha de concretar que cargas soportarán estas. Para ello se estudia la dinámica de la moto para poder establecer la situación más crítica para el tren delantero y poder cuantificar la carga que surge en ese momento. Asimismo, se realizan los cálculos necesarios para determinar el tipo de análisis que se debe llevar a cabo en cada componente (estático, cuasi-estático o dinámico). 80 𝑎 = 1.6𝑔 Por lo tanto, la deceleración máxima del prototipo es de 1.6g. En este caso la rueda trasera está totalmente descargada y la delantera soporta todo el peso, 200 kg. Por otro lado, utilizando el equilibrio de las fuerzas en la horizontal se puede calcular la fuerza de frenado: 𝐹 𝑓= 𝑀 ∗ 𝑎 = 1.6𝑀𝑔 = 1.6 ∗ 200 ∗ 9.8 = 3136𝑁 En el caso de las motocicletas de 250cc y en la bibliografía (Foale, 2003) es muy habitual una aceleración máxima de 1g. Para esta aceleración, a, la transferencia de carga se calcula de la siguiente manera: ∆𝑊𝑓 ∗ 𝐿 = −∆𝑊𝑟 ∗ 𝐿 = 𝑀𝑎ℎ 𝑔 Donde ∆𝑊𝑓 es la transferencia de carga al tren delantero y ∆𝑊𝑟 al tren trasero. Entonces, ∆𝑊𝑓 = −∆𝑊𝑟 =𝑀𝑎ℎ 𝑔𝐿 =200𝑘𝑔 ∗(−𝑔)∗500𝑚𝑚 𝑔 ∗ 1600𝑚𝑚 = −62.5𝑘𝑔 Por lo tanto, se deduce que la rueda delantera soporta 100 −62.5 = 37.5 𝑘𝑔 = 367.5 𝑁. 2.3.3 Hundimiento El prototipo monta una suspensión delantera de tipo horquilla telescópica, que se desplaza en su eje según las cargas que soporta. Debido al ángulo de lanzamiento de la motocicleta Ɵ, de 23°, la fuerza de frenada Ff y peso Fp se pueden descomponer en dos componentes: paralela al eje de la suspensión y perpendicular a dicho eje. El componente paralelo provoca que la suspensión se comprima, mientras que la perpendicular trata de doblarla. 81 Ilustración 41: fuerzas en la suspensión Cuando la motocicleta está parada o circulando a velocidad constante, la única carga es el peso y está equitativamente dividida en las dos ruedas, puesto que el centro de gravedad está en el medio de las dos. La carga estática que soporta la suspensión delantera es la siguiente: 0.5 ∗ 𝑝𝑒𝑠𝑜 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 0.5 ∗ 200 ∗ 9.8 ∗ cos(23°)=902.1𝑁 Sin embargo, en la frenada aparecen dos fuerzas más que provocan que la carga de la suspensión delantera aumente. Estas dos fuerzas son la fuerza de frenada y la transferencia de carga, que también se pueden descomponer en los componentes paralelo y perpendicular al eje de la suspensión. En el caso de una deceleración de 1.6g, la fuerza de frenado es de 3136 N y debido a la transferencia de carga todo el peso es soportado por el tren delantero. Por lo tanto: 200 ∗ 9.8 ∗ cos(23°)+3136 ∗sin(23°)=3029.53𝑁 En consecuencia, la relación entre la carga de la frenada y la estática es de: 3029.53 902.1 = 3.358 82 2.3.4 Eje delantero 2.3.4.1 Análisis estructural Como se ha podido apreciar en los apartados anteriores, las cargas que soporta el tren delantero son variables. Entonces, el eje delantero es un elemento trabaja a fatiga. Con un sistema de medición en la suspensión delantera, a partir de la compresión de la horquilla delantera se podría conseguir la curva de la carga que soporta. Sin embargo, actualmente no se disponen de estos datos, por lo que se analizarán el caso de más desfavorable y el más favorable, y se considerará que la carga en un ciclo varía de un valor a otro. De esta manera el ciclo de carga que se estudia es más severo que la real. El caso más desfavorable es la frenada, de 1.6g, mientras que el más favorable es la aceleración, de 1g, porque al acelerar la transferencia de carga reduce el peso que soporta el eje delantero. Gráfico 2: carga real e idealizada en el eje delantero. 83 Para empezar, se ha decidido utilizar una idealización de vigas para el análisis del eje delantero. La geometría del eje delantero es simple y se asemeja a una viga circular de sección hueca. Esta geometría se puede reproducir fácilmente con elementos de tipo viga, salvo en una pequeña parte: el cono que se realiza en el taladrado por la herramienta. Sin embargo, este cambio es pequeño y se encuentra lejos de la que será la sección más crítica: justo antes del alojamiento del eje en la puntera izquierda. La distribución de las cargas y condiciones de contorno es prácticamente simétrica en el eje, por lo que los esfuerzos en los dos empotramientos son muy parecidos. No obstante, el diámetro del eje es menor en la parte izquierda, por lo que el momento flector provocará una mayor tensión. Además, justo antes del alojamiento de la puntera izquierda se encuentra un cambio de sección, por lo que habrá una concentración de tensiones. El modelo idealizado con elementos viga no tiene en cuenta este factor, por lo que se ha de calcular y variar el resultado para obtener el resultado real. Si se analizase con elementos tridimensionales, en los resultados aparecería una tensión infinita debido a la arista viva del cambio de sección. En la realidad esta arista viva no existe, debido al pequeño redondeo que deja el torneado por el radio de la punta de la herramienta, de 0.2 mm. Para analizarlo adecuadamente, se debería realizar la malla acorde a este radio, lo que aumentaría considerablemente la cantidad de elementos y el tiempo de simulación. Por esta razón, es más eficiente realizar el cálculo con elementos viga y aplicar posteriormente el factor de concentración de tensiones. Ilustración 42: eje delantero idealizado con elementos viga. 84 En primer lugar, se ha realizado un análisis modal con las condiciones de contorno que se utilizarán en el cálculo de las tensiones. Para ello, se ha empotrado el eje delantero en sus dos alojamientos en las punteras. Las frecuencias naturales que se han obtenido son muy altas, siendo la primera un modo de vibración doble de flexión de 6250Hz. Entonces, un análisis estático es suficiente para esta pieza. Ilustración 43: primer modo de vibración del eje. A continuación, se ha realizado un análisis estático aplicando las cargas en el estado más crítico: en la frenada con una deceleración de 1.6g. El eje resiste dos fuerzas, la de frenado, de 3136 N, y el peso completo de la motocicleta y el piloto, de 1960 N. La fuerza resultante total es de 3698.12 N, y se aplica uniformemente en los dos apoyos de los rodamientos. Esta fuerza resultante forma un ángulo de 58° con la vertical. Ilustración 44: fuerzas en el eje delantero en la frenada. 85 Con las mencionadas condiciones de contorno, se ha realizado un análisis estático para calcular las tensiones en el eje delantero. El resultado obtenido es el siguiente: Ilustración 45: tensiones en el eje delantero. Se observa que la tensión máxima es de 36.7 MPa, justo en la base del empotramiento en la puntera derecha. Por el otro lado, en la base del empotramiento en la puntera izquierda la tensión que se obtiene es de 34.6 MPa. Sin embargo, las tensiones obtenidas son nominales. En este segundo punto, debido al cambio de sección, se encuentra una concentración de tensiones considerable. El radio de acuerdo del mecanizado es de 0.2 mm, mientras que el diámetro pequeño es de 20 mm y el grande de 25 mm. Con estos valores, el coeficiente de concentración de tensiones es difícil de obtener de las gráficas habituales (Avilés, 2015), pero se ha tomado un valor conservador de 3.5. Por lo tanto, la tensión real es de 121.1 MPa. En el caso de la aceleración de 1g, la situación menos crítica del eje, la carga que soporta es de 367.5 N debido a la transferencia de carga. Esta carga es vertical, es decir, tiene un desfase de 58° respecto a la carga de la frenada. Ilustración 46: fuerzas en el eje delantero en la aceleración. 86 Aplicando las mismas condiciones y la carga en la aceleración, se ha obtenido el siguiente resultado. Teniendo en cuenta el factor mencionado anteriormente, la tensión en el cambio de sección crítico es de 8.4 MPa. Ilustración 47: tensiones en el eje en la aceleración. 2.3.4.2 Análisis resistente Dado que la tensión es debida a un momento flector, las tensiones obtenidas son de compresión y de tracción. Como el eje trabaja a fatiga, la tensión más restrictiva es la tracción. Además, el punto de mayor tensión no cambia de signo, es decir, durante el ciclo está siempre a tracción o a compresión. Primero se calculan la tensión media, 𝜎𝑚, y la tensión alterna, 𝜎𝑎: 𝜎𝑚=8.4 + 121.1 2=64.75 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑎=121.1 − 8.4 2=56.35 𝑀𝑃𝑎 A continuación, se aplica el criterio de Goodman (Avilés, 2015). Este criterio de resistencia a fatiga se basa en las tensiones alterna y media en el punto analizado y en la tensión última a tracción del material para obtener la tensión alterna equivalente: 𝜎𝑎 𝜎𝑁 +𝜎𝑚 𝜎𝑢𝑡 = 1 Para realizar un cálculo más seguro, se utiliza el límite inferior de rotura del material, de 470 MPa (SteelGr, 2019). 𝜎𝑁=𝜎𝑢𝑡 ∗ 𝜎𝑎 𝜎𝑢𝑡 − 𝜎𝑚 =470 ∗56.35 470 −64.75 =65.35 𝑀𝑃𝑎 87 Ahora hay que comparar esta tensión con la tensión de resistencia a fatiga del material. Como el eje delantero es de acero inoxidable, la tensión de límite de fatiga 𝜎𝑒 ′ es la mitad de la tensión de rotura, es decir, 235 MPa. No obstante, se ha de multiplicar este valor por los distintos coeficientes de fatiga (Avilés, 2015): • Acabado superficial (𝐶𝑠): el eje delantero se fabrica mediante un proceso de torneado con un buen acabado. Teniendo en cuenta la resistencia del material, este coeficiente es de 0.9. • Forma de trabajo (𝐶𝑡): en el caso de flexión rotatoria este coeficiente toma un valor unidad. En este caso el eje trabaja a flexión sin rotar, situación que no se considera más dañina que la mencionada. • Dimensiones y geometría (𝐶𝑑): el eje delantero se puede considerar como una pieza mediana-pequeña, por lo que 𝐶𝑑= 0.9. • Fiabilidad (𝐶𝑟): para calcular este coeficiente es necesario conocer el valor de la variable estándar Z, que está relacionada con la fiabilidad R: 𝐶𝑟= 1 − 0.08 ∗ 𝑍 Para una fiabilidad de 0.9999, es decir, un fallo cada diez mil piezas, Z es de 3.72 y el coeficiente de fiabilidad es de 0.7024. • Tratamientos mecánicos (𝐶𝑚): dependiendo del tratamiento que ha recibido la pieza en su fabricación, se puede mejorar su comportamiento a fatiga. Esta mejora se define como Y y en caso de haber sido mecanizada, es de 0.25. 𝐶𝑚= 1 + 𝑌 = 1.25 Sin embargo, también se ha de cumplir que: 0.7 ≤ 𝐶𝑚∗ 𝐶𝑠≤ 0.9 En este caso: 𝐶𝑚∗ 𝐶𝑠= 1.25 ∗ 0.9 = 1.125 Por lo tanto, 𝐶𝑚∗ 𝐶𝑠= 0.9 88 • Coeficiente de temperatura (𝐶𝑇): el eje delantero trabaja a baja temperatura, a menos de 150ºC. Por consiguiente, 𝐶𝑡= 1. • . Coeficiente de fretting (𝐶𝑓): existe contacto directo entre el eje delantero y las punteras y entre el eje delantero y los rodamientos de la llanta delantera. Sin embargo, no debería de haber un desplazamiento relativo entre ellos, por lo que se tomará que 𝐶𝑓= 1. • Coeficiente de choque (𝐶𝑘): la aplicación de la carga de frenada suele ser bastante brusca. Además, el eje también sufrirá cargas debido a las irregularidades del firme. Por ello, se considera 𝐶𝑘= 0.67 Por lo tanto, el límite de fatiga es de: 𝜎𝑒= 𝐶𝑒∗ 𝜎𝑒′ Donde 𝐶𝑒= 𝐶𝑠∗ 𝐶𝑚∗ 𝐶𝑑∗ 𝐶𝑡∗ 𝐶𝑟∗ 𝐶𝑇∗ 𝐶𝑓∗ 𝐶𝑘 𝐶𝑒= 0.9 ∗ 0.9 ∗ 1 ∗ 0.7024 ∗ 1 ∗ 1 ∗ 0.67 = 0.38 Entonces, 𝜎𝑒= 0.38 ∗235 = 89.3 𝑀𝑃𝑎 Finalmente, como 𝜎𝑒> 𝜎𝑁, se concluye que el eje tendrá una vida infinita. De hecho, el coeficiente de seguridad que se ha obtenido es: 𝐶𝑆 =89.3 65.35 = 1.366 Este valor se encuentra dentro del rango recomendado para este tipo de casos (Abasolo, 2017), que es de entre 1.25 y 1.5. 89 Se podría pensar que diseñar un eje con una vida útil infinita es excesivo para una motocicleta de competición, donde se requiere el menor peso posible. De hecho, analizando la dinámica de las anteriores ediciones, se estima que el eje delantero soportará unos 3*105 ciclos. Sin embargo, este valor puede variar dependiendo de la cantidad de pruebas que se realicen hasta la competición y si se utiliza el prototipo después de la misma competición. Además, aligerarlo significa reducir los espesores, que ya son bastantes bajos (2 y 2.5 mm). Esto puede reducir la confianza del piloto en el prototipo, dándole inseguridad. Asimismo, es más difícil mecanizar con pequeños espesores, aunque no se reduciría tanto como para que esto fuese un problema grave. Por estas razones se ha decidido por este diseño del eje delantero y los cálculos se consideran satisfactorios. 2.3.5 Puntera 2.3.5.1 Primer diseño: puntera v1.0 En primer lugar, se realizó un diseño simple sobredimensionado de la puntera para observar su comportamiento y zonas más críticas. Se decidió hacer un diseño similar a la puntera derecha original de Andreani MHS, pero sin los vaciados y que cumpliese con las condiciones que se mencionaron en la memoria, salvo las orejetas del guardabarros. El primer diseño de la puntera, de un peso de 617 gramos, se muestra en la ilustración inferior. Ilustración 48: puntera v1.0. 96 Ilustración 55: deformaciones (mm) de la puntera v1.0 (módulo, x, y). 2.3.5.1.2 Análisis de resistencia a fatiga El límite a fatiga del aluminio 7075-T6 es de 159 MPa para 5*106 ciclos. En este diseño se va a utilizar un coeficiente de seguridad de 1.25, por lo que se utilizará un límite a fatiga de 127.5 MPa. Como la tensión máxima en la pieza es menor que este valor, este primer diseño es válido. 2.3.5.2 Diseños intermedios 2.3.5.2.1 Puntera v3 Partiendo del diseño de la puntera anterior, se han realizado vaciados pasantes en los lugares donde el material trabaja menos para así aligerarlo. Se han realizado tres vaciados triangulares con los vértices redondeados. Asimismo, se han añadido las dos orejetas necesarias para el guardabarros delantero. Por otro lado, el brazo tiene una anchura de 15 mm. El peso total de esta puntera es de 435 gramos, muy cerca del objetivo establecido. 97 Ilustración 56: diseño de la puntera v3.0. Como en la anterior simulación las tensiones más altas aparecieron en la parte superior del brazo, se ha refinado la malla en los redondeos del vaciado superior y en las dos curvas de los redondeos entre el brazo y cilindro en la cara superior de la puntera. En estos sitios se ha establecido un tamaño máximo de elementos de 4 mm. 98 Ilustración 57: mallado de la puntera v3.0. Se ha realizado el mismo análisis estructural, con las mismas condiciones y cargas aplicadas, obteniendo el siguiente resultado: 99 Ilustración 58: tensiones von Mises (MPa) de la puntera v3.0. Se observa que la zona más crítica es la cara superior de la puntera, donde se han obtenido tensiones máximas ligeramente superiores a 135 MPa. Por lo tanto, se ha concluido que esta cara superior se ha de refinar enteramente, no solo las dos mencionadas curvas. De esta manera se conseguirán resultados más exactos porque un mallado más fino mejora los resultados en zonas donde el gradiente de la tensión sea alto. Asimismo, se ha decidido aumentar el espesor del brazo para aumentar la inercia y así reducir las tensiones que pueden aparecer. 2.3.5.2.2 Puntera v3.4 Se ha ido variando la geometría exterior del brazo y las dimensiones de los vaciados y su colocación. En esta versión el vaciado superior se sitúa a una mayor distancia desde la cara superior, pero se aprovecha para aumentar su tamaño. De esta manera, aunque se ha aumentado el espesor del brazo a 16 mm, se ha conseguido reducir el peso de la pieza unos 30 gramos, resultando un peso de total de 405 gramos para esta versión. 100 Ilustración 59: diseño de la puntera v3.4. En la siguiente ilustración se muestra el mallado que se ha utilizado en el análisis estructural. El tamaño máximo de los elementos es de 8 mm en toda la pieza y en la cara superior y en los redondeos del vaciado superior se ha utilizado un refinamiento superficial limitando el tamaño máximo a 4 mm. 101 Ilustración 60: mallado de la puntera v3.4. Se ha repetido el mismo análisis estructural, consiguiendo una reducción en las tensiones máximas en la cara superior de la puntera. En esta, la tensión está en su mayoría por debajo de 100 MPa, pero debido a las concentraciones de tensión, en varios puntos esta tensión aumenta hasta casi 120 MPa. El resultado se puede considerar aceptable, pero se decidió mejorarlo para aumentar la seguridad de la pieza. 102 Ilustración 61: tensiones von Mises (MPa) en la puntera v3.4. 2.3.5.3 Diseño final: puntera v3.5 En el diseño final se ha aumentado el espesor del brazo a 18 mm. Esto aumenta la inercia del mismo y además se aumenta el espesor de la zona donde se aplica la carga, es decir, los dos agujeros del anclaje de la pinza. Para hacer frente al aumento de peso que provoca, se han aumentado las dimensiones de los vaciados, especialmente del vaciado inferior, optimizándolo respecto a la geometría externa del brazo. Para facilitarlo, se ha modificado esta geometría, proporcionándole una forma más triangular en su parte inferior. Con estas modificaciones se ha logrado mantener el peso de la pieza en 406 gramos, cumpliendo el peso objetivo impuesto 103 Ilustración 62: diseño de la puntera v3.5. 2.3.5.3.1 Análisis estructural Para crear la malla se han añadido dos superficies de control en la zona superior del brazo, como se puede ver en la ilustración 64. Ésta es la zona crítica de la pieza, y para mejorar el resultado se ha establecido el tamaño máximo de los elementos en 4 mm en esta zona. De esta manera se ha conseguido un mallado más fino y una mejor transición entre la zona no crítica y la zona crítica. Por otra parte, el mallado de la pieza completa se muestra en la ilustración 63, con un total de 8405 elementos. 104 Ilustración 63: mallado de la puntera v3.5 Ilustración 64: detalle del mallado de la zona superior del brazo 105 Para esta última versión de la puntera se han aplicado las mismas condiciones de contorno que en la puntera v1.0. En este caso se han vuelto a calcular los cuatro primeros modos de vibración de la puntera. Debido a que esta versión es menos rígida que la primera, las frecuencias son menores, como se puede observar en la ilustración 65. El primer modo que interesa sigue siendo la segunda, pues es esta la primera que puede excitar la fuerza actuante, pero la frecuencia sigue siendo muy alta, de 1324 Hz (en la primera versión 2454 Hz). Ilustración 65: primeros 4 modos de vibración de la puntera v3.5. Aplicando la carga de la frenada, se han obtenido las tensiones von Mises que se muestran en la ilustración 66. La tensión máxima que se ha obtenido es de 113 MPa, en la cara superior, justo donde empieza el redondeo entre el brazo y el cilindro. En el otro lado (oculto en la ilustración) la tensión es de 107 MPa. El siguiente punto con la mayor tensión se encuentra en la zona del redondeo de la cara superior, con un valor cercano a 110 MPa. 112 Ilustración 73: trayectoria del roscado. Los parámetros de corte de los dos ciclos de torneado son las siguientes: Tabla 11: parámetros de corte de la segunda operación del eje delantero. S (rpm) Vc (m/min) f (mm) Vf (mm) ap (mm) Chaflán 200 12.56 0.2 40 0.5 Roscado 50 3.14 1 50 Variable 2.4.1.1.3 Operación de taladrado y cilindrado interior A continuación, con la sierra eléctrica del taller interdepartamental se corta el eje para quitar el exceso utilizado para amarrar en el plato de garras del torno en la primera operación. Debido al mal acabado que deja el corte de la sierra, se realiza un refrentado para corregirlo y para que el eje tenga la longitud de 250 mm. Para evitar que la longitud del eje delantero sea menor después del refrentado, en el corte con la sierra se deja un exceso. Como este exceso y el acabado de la sierra son variables, el refrentado se realiza manualmente. 113 Seguidamente, se monta el eje delantero en el plato de garras del torno Pinacho ST225 justo antes del cambio de sección de 25 a 30 mm. Los ejes sistema de coordenadas siguen siendo coincidentes con los ejes de la máquina, como se indica en la ilustración inferior, por lo que solo hay que referenciar la cota z=0 de la pieza. Ilustración 74: sistema de referencia de la operación taladrado y cilindrado interior. En esta última operación del eje delantero no se mecaniza ninguna superficie funcional, solo se mecaniza el material interior sobrante para reducir su peso. Para ello se utilizan dos taladrados y un cilindrado interior. Debido a las dimensiones del portaherramientas, para evitar una colisión entre el portaherramientas y la pieza es necesario realizar primero un mecanizado para obtener un diámetro interior de 20 mm. 1. Primer taladrado: con una broca larga de 18 mm se perfora el eje delantero toda la longitud útil de la herramienta. El objetivo de este primer taladrado es reducir la profundidad de pasada del segundo taladrado para facilitar su mecanizado. 2. Segundo taladrado: se efectúa un taladrado con una broca de 20 mm hasta una profundidad de 135 mm, la longitud útil de la herramienta. Con este ciclo de perforado se consigue el diámetro interior del diseño del eje delantero. 3. Cilindrado interior: se cambia a la herramienta de cilindrado interior y se procede a tornear el diámetro interior de 20 mm a 26 mm, en una profundidad de 65 mm. 114 Ilustración 75: trayectoria del cilindrado interior. Tabla 12: parámetros de corte de la tercera operación del eje delantero. S (rpm) Vc (m/min) f (mm) Vf (mm) ap (mm) Talad. 18. 195 11 0.27 52.65 9 Talad. 20 175 11 0.28 49 10 Cil. Int. 200 12.6 – 16.3 0.2 40 0.3 2.4.2 Puntera Para fabricar la puntera se ha de partir de una pieza inicial para su mecanizado. En este caso se han valorado dos alternativas para la pieza de partida: un paralelepípedo rectangular y una preforma obtenida por corte por agua. La primera opción conlleva un mayor gasto de material, pero su mayor desventaja es que se necesita mucho más tiempo de mecanizado para obtener la pieza final. En cambio, la preforma de corte por agua es similar a la puntera final, con excesos de material para su posterior mecanizado. Estas preformas, que se adquieren a una empresa externa, posibilitan reducir el tiempo de fabricación de la pieza. Teniendo en cuenta que este es un factor limitante para el equipo, se ha decidido utilizar preformas para la fabricación de la puntera. 115 2.4.2.1 Diseño de la preforma El corte por agua realiza un recorrido sobre una pieza plana de un espesor específico, normalmente múltiplo de 10 mm. En este caso, el recorrido es la silueta de la puntera, exactamente la vista perpendicular al brazo de la puntera. Sin embargo, debido a la tolerancia que ofrece este proceso y su acabado mediocre, se añaden excesos de material de 1 o 2 mm sobre esta silueta. Adicionalmente, se ha aumentado la longitud de la parte inferior de la puntera 20 mm. En esta protuberancia se mecaniza mediante fresado un cilindro concéntrico al eje de la suspensión, lo que permite un buen amarre en el plato de garras del torno. Por otro lado, el espesor de la preforma es de 50 mm, pues ha de ser múltiplo de 10. Esto significa que el material excedente es mayor en este sentido. Por último, se ha decidido adquirir 5 preformas, una para cada prototipo del equipo de la escuela, una para el equipo el MotoStudent de la Universidad de Asturias, otra como pieza de repuesto y una quinta por si en la fabricación sucede algún error. Ilustración 76: diseño de la preforma de la puntera. 116 2.4.2.2 Operaciones 2.4.2.2.1 Operación cilindrado F3 Tal y como se ha mencionado en el anterior apartado, la parte inferior de la preforma ha sido alargada para mecanizar una superficie apta para amarrarlo en el plato de garras del torno. Esta superficie, cilíndrica, se obtiene en esta operación, que se realiza en la fresadora CNC Opti Mill F3 (ver ilustración 78). Como en el plato de garras del torno se amarra por este cilindro, su eje es el mismo eje del alojamiento de la suspensión. Además de dicha superficie cilíndrica, también se realizan un planeado inicial (previo al mecanizado del cilindro) y una trayectoria rectangular (posterior) como se ve en la ilustración 78. Este primer planeado es perpendicular al eje del cilindro, y permite referenciar y obtener una superficie de amarre perpendicular a dicho eje. Por otro lado, la trayectoria rectangular genera una especie de paralelepípedo, cuyas cuatro caras son paralelas al eje del cilindro. Por lo tanto, en esta operación no se obtiene ninguna geometría final de la pieza, solamente se consiguen superficies que se utilizan como amarres o para referenciar en las siguientes operaciones. Por otro lado, en toda la operación se utiliza una única herramienta, una fresa rectangular de 18 mm de diámetro, tanto para mecanizar como para referenciar. Lo ideal sería utilizar el palpador para obtener las referencias, pero debido al tamaño de la pieza y limitación del movimiento de la máquina en el eje z, no es posible utilizar el palpador y se utiliza en su lugar una fresa para conseguir una longitud de herramienta más corta. De hecho, se ha de amarrar la puntera en la posición más baja posible para evitar llegar al final de carrera en el eje z. El sistema de coordenadas de la operación se sitúa en el eje del alojamiento de la horquilla de la puntera y en el plano superior del mismo, como se puede observar en la ilustración 77. Para obtener las referencias del sistema de coordenadas de esta operación primero se referencia el plano superior de la pieza para obtener la coordenada z. A continuación, se coloca z=0 a 0.2 mm más abajo para que en el planeado se mecanice toda la superficie. Si no, debido al acabado del corte por agua es posible que el planeado no mecanizase en toda la superficie. Seguidamente se obtiene el centro de la superficie rectangular tomando las referencias en las cuatro caras perpendiculares a los ejes x e y. Finalmente, se desplaza este punto de referencia x=-2.25 mm y se obtiene la ubicación del origen del sistema de coordenadas deseado. 117 Ilustración 77: amarre de la operación cilindrado F3. Como se muestra en la ilustración 76, en primer lugar, se realiza un pequeño planeado en z=0 para conseguir una superficie plana y perpendicular al eje del alojamiento de la suspensión (amarillo). A continuación, se realiza una trayectoria circular helicoidal que mecaniza un cilindro de un diámetro de 43 mm y una profundidad de 20 mm, concéntrico al eje del alojamiento de la suspensión (azul). Finalmente, mediante otra trayectoria rectangular helicoidal se obtienen cuatro caras perpendiculares y paralelas a dicho eje (rojo). Ilustración 78: superficies mecanizadas en la operación cilindrado F3. Los parámetros de corte son los siguientes: 118 • Velocidad de giro del cabezal: 2800 rpm. Con esta velocidad de giro se obtiene una velocidad de corte de 158 mm/min, ligeramente inferior a la velocidad recomendada por Izar, siendo está de 160-200 mm/min para este tipo de material (Izar, 2020). • Velocidad de avance: 300 mm/min. Izar recomienda un avance de 580 mm/min para fresas de dos filos, pero por la experiencia del equipo se ha reducido esta velocidad recomendada, debido a la falta de refrigerante y falta de potencia de la fresadora. • La profundidad de la pasada axial está determinada por la hélice, cuyo paso es de 1 mm. En el caso del planeado es de 0.2 mm. • La profundiad de pasada axial es variable en la operación. En el primer planeado es de 10 mm, en primera trayectoria helicoidal la mínima de 1 mm y la máxima de casi 16 mm y en la última varía entre 1 y 2.5 mm. Tabla 13: parámetros de corte de la operación cilindrado F3. S (rpm) Vc (m/min) fz (mm) Vf (mm) ap (mm) ae (mm) Planeado 2800 158 0.0536 300 0.2 10 Cilindro 2800 158 0.0536 300 1 1-16 Rectángulo 2800 158 0.0536 300 1 1-2.5 2.4.2.2.2 Operación alojamiento de la suspensión Esta operación se realiza en el torno Pinacho ST225 por la fabricación de la rosca y es la única que se realiza en esta máquina. Como muestra la ilustración 79, se amarra en el plato de garras del torno en el cilindro mecanizado en la operación anterior. De esta manera se consigue que el alojamiento de la suspensión que se mecaniza sea concéntrico al eje z del torno. Para el sistema de coordenadas de esta operación solo se necesita la referencia de la cara superior del alojamiento, es decir, la coordenada z de la pieza, dado que se sitúa en el eje z del torno. Para referenciar se utiliza la fresa de 16 mm de diámetro, que se utiliza en el mecanizado de esta operación. 119 Ilustración 79: amarre operación alojamiento de la suspensión. Esta operación es una operación crítica porque se mecanizan el alojamiento de la botella de la suspensión delantera (fresando), la rosca y el ranurado de la junta tórica (torneando). En estos dos últimos mecanizados se debe utilizar un portaherramientas para interiores largo, debido a la profundidad en la que se mecanizan. Sin embargo, se dispone de un único portaherramientas adecuado, por lo que se ha de cambiar la plaquita entre el mecanizado de la rosca y el ranurado, lo que conlleva volver a referenciar esta herramienta. Para aumentar la productividad se ha decidido dividir esta operación en dos sub-operaciones. En la primera de ellas se mecaniza el alojamiento de la botella de la suspensión y el roscado de la misma, mientras que en la segunda solo se realiza el ranurado de la junta tórica. Por otro lado, el alojamiento de la botella se mecaniza con una fresa de 16 mm de diámetro montada en la herramienta motorizada de la máquina. En primer lugar, como muestra la ilustración 81, se realiza un planeado (naranja) con la fresa de 16 mm en la cota z=0. Para ejecutar esta operación se referencia la cota z de la pieza con la propia herramienta y se realiza el planeado 120 Para mecanizar el alojamiento de la suspensión se planteó utilizar trayectorias helicoidales. De esta manera se consigue un buen equilibrio entre la velocidad de avance axial y radial, pero debido a problemas de postprocesado no ha sido posible realizar estas trayectorias helicoidales. En su lugar se efectúan una serie de trayectorias circulares planas y entradas axiales para profundizar, cada una de distinto diámetro y profundidad, pero todas empezando en la cota z=0. También se ha planteado realizar primero dos ciclos de taladrado, primero con una broca de 10 mm y seguidamente con otra de 20 mm de diámetro. De esta manera se conseguiría que en las entradas axiales de la fresa no se mecanizara, lo que mejora la productividad de esta operación. Sin embargo, el torno solo dispone de una herramienta motorizada, y cambiar la herramienta significa que se deben cambiar sus correcciones. Esto provoca que se necesite más tiempo volviendo a tomar las referencias para las correcciones de las herramientas, por lo que se pierde el tiempo de mecanizado ahorrado. Por esta razón se ha descartado el uso de los taladrados. Además, se simplifica la operación para el operador. Cabe destacar que de esta manera solo se miden una vez las herramientas (la fresa de 16 mm y la herramienta de roscado) justo antes de realizar la primera sub-operación. 1º trayectoria (amarillo): la herramienta motorizada realiza un movimiento circular pasando el centro de la herramienta por una circunferencia de un diámetro de 10 mm, con una profundidad de pasada axial es de 1 mm. Después de completar una circunferencia, la herramienta realiza una entrada axial de 1 mm, mecanizando con toda la herramienta. Esta trayectoria llega a una profundidad de 61 mm, para conseguir un apoyo adecuado para el cartucho de la suspensión. La velocidad de corte recomendada por Izar para una fresa de 16 mm es de entre 160 y 200 mm/min (Izar, 2020). En este caso, se utiliza una velocidad de giro de 2000 rpm, que proporciona una velocidad de corte de 100 mm/min. Aunque esta velocidad es menor que la recomendada, el resultado que se obtiene es satisfactorio como se ha podido comprobar. Por otro lado, para una fresa de 4 filos, el fabricante recomienda una velocidad de avance de 580 mm/min. Sin embargo, debido al confinamiento de la herramienta y que durante parte del recorrido se mecaniza con el diámetro entero de la fresa, esta velocidad se ha reducido a 100 mm/min. Esto es debido a hecho de que el diámetro del agujero es pequeño, por lo que la fresa mecaniza con más superficie, aumentando el rozamiento. Por último, la velocidad de avance para la entrada axial es de 10 mm/min. Este valor se ha obtenido en las primeras pruebas de mecanizado realizadas con esta fresa para entradas axiales mecanizando con todo el diámetro. 121 2º trayectoria: el diámetro de esta trayectoria circular es de 14 mm, con una profundidad de pasada axial y radial de 2 mm. Es un paso intermedio para la siguiente trayectoria, donde se mecaniza el apoyo del fondo de la botella de la suspensión. Para ello la herramienta mecaniza hasta 58 mm de profundidad. En este caso, como la profundidad de pasada radial es menor y el confinamiento de la herramienta es pequeño, la velocidad de avance se ha aumentado a 250 mm/min para el movimiento circular y a 50 mm/min para la entrada axial. Se ha observado que con estos parámetros de mecanizado el corte es satisfactorio. 3º trayectoria (azul): en esta trayectoria se mecaniza el alojamiento de la parte inferior de la botella, que en principio es de 33 mm. Sin embargo, el diámetro del cilindro que mecaniza la fresa es ligeramente menor y puede proporcionar problemas en el montaje debido al apriete que se genera entre este cilindro y la parte inferior de la botella. Para evitar este problema se ha aumentado el diámetro de la circunferencia que realiza la fresa 0.1 mm, por lo que el centro de la herramienta recorre una circunferencia de 17.1 mm de diámetro, con lo que el diámetro del cilindro es de 33.1 mm. Aunque la profundidad de pasada radial sea menor, de 1.5 mm, se han mantenido las velocidades de corte porque se han obtenido buenos acabados. 4º trayectoria: en este recorrido se consigue un agujero cilíndrico de 34 mm de diámetro y 53 mm de profundidad para después mecanizar la rosca de M35. Las velocidades de corte y avance no varían, pero la profundidad de pasada axial se reduce a 1.6 mm y la radial a 1 mm. 5º trayectoria (cian): finalmente se mecaniza el alojamiento superior de la botella de la suspensión, siendo esta un cilindro de 35 mm de diámetro y 33 mm de profundidad. La profundidad de pasada axial vuelve a ser de 1 mm para conseguir un buen acabado y se mantienen las velocidades de corte y avance. En la ilustración 80 se muestra el plano del corte de la parte central del diseño final de la puntera. 128 En esta operación se utilizan dos herramientas: una broca de 10 mm y una fresa de 16 mm. Con la broca se realiza un ciclo de taladrado por el centro del alojamiento del eje delantero que atraviesa toda la puntera. Los parámetros del taladrado se han obtenido de la documentación del fabricante (Izar, 2020). La velocidad de giro es de 1592 rpm y la velocidad de avance de 318.4 mm/min. A continuación, con la fresa se realizan tres trayectorias circulares helicoidales de paso 1 mm. En la primera el centro de la fresa recorre una circunferencia de 9 mm diámetro. La velocidad de giro es de 2000 rpm, consiguiendo una velocidad de corte de 100 m/min y una velocidad de avance de 180 mm/min, moderada por el confinamiento de la herramienta. La segunda hélice tiene un diámetro de 12 mm (centro de la herramienta), la velocidad de giro aumenta a 2500 rpm y la velocidad de avance a 250 mm/min. Por último, se realiza una hélice que mecaniza el alojamiento del eje delantero, con un avance de 300 mm/min y una velocidad de giro de 300 rpm. Se ha comprobado que con estos parámetros se consigue un buen acabado. Tabla 16: parámetros de corte de la operación alojamiento del eje delantero. S (rpm) Vc (m/min) fz (mm) Vf (mm) ap (mm) ae (mm) Ø cil (mm) Taladrado 1592 50 0.1 318.4 0.2 5 10 1º tray. 2000 100 0.0225 180 1 7.5 25 2º tray. 2500 125.7 0.025 250 1 1.5 28 3º tray. 3000 150.8 0.25 300 1 1 30 2.4.2.2.4 Operación taladrado de los tornillos de la pinza Es la última operación crítica de la puntera, porque un mal amarre provoca que los taladrados sean defectuosos, lo que puede acarrear problemas en el montaje del tren delantero inferior. Cuando se realicen los dos taladrados para el apoyo de la pinza de freno delantero, se necesita que la línea central de los dos ejes de los taladrados pase por el eje del alojamiento del eje delantero (ver ilustración 85). Asimismo, esta línea tiene que ser perpendicular a dicho eje para que las pastillas de la pinza sean paralelas al disco de freno delantero en montaje del prototipo. Por último, los dos taladrados deben tener el ángulo de brazo definido en el diseño de la puntera. 129 Ilustración 85: punto de corte de los ejes. Para conseguir que el mecanizado sea el deseado se amarra la puntera por las caras fresadas en la operación cilindrado F3 y se consigue que los taladrados sean perpendiculares al alojamiento del eje delantero. A continuación, con un goniómetro se asegura el ángulo del brazo, de 40° (ver ilustración 87). Finalmente, la correcta colocación de la línea central de los taladrados se consigue con las referencias que se utilizan para fijar el sistema de coordenadas. Para esta operación el origen del sistema de coordenadas está en el punto donde se cortan el eje del alojamiento del eje delantero y el eje del alojamiento de la suspensión. Por lo tanto, cuando se realizan los taladrados se coloca la broca en la coordenada adecuada con lo que se asegura que la línea central de estas se sitúe en lugar deseado. Cabe destacar que debido al tamaño de la pieza y las longitudes de las herramientas esta operación solo se puede realizar en la fresadora manual Lagun por la amplitud de sus movimientos, especialmente en el eje z de la máquina. 130 Ilustración 86: amarre de la operación taladrado de los tornillos pinza. Ilustración 87: validando el ángulo del brazo (40°) con el goniómetro. 131 El método que se utiliza para obtener las referencias es similar a la anterior operación. Se monta el eje delantero o, en su defecto, una barra de 30 mm de diámetro en el alojamiento del eje delantero. A continuación, con el palpador se obtiene la colocación del eje por lo que se fijan las coordenadas x y z del sistema de coordenadas. Para obtener la última referencia y se utiliza el alojamiento de la suspensión. Con el palpador se miden las coordenadas y de dos esquinas opuestas del alojamiento, con lo cual la coordenada y=0 está en la mitad de los dos puntos que se han medido. De esta manera el sistema de coordenadas que se fija está en el punto donde se cortan los ejes de los alojamientos de la suspensión y eje delantero. En esta operación se utilizan dos herramientas: una fresa de 20 mm de diámetro y una broca de 8.5 mm. Primero, con la fresa, se realiza un pequeño planeado para conseguir que el brazo tenga la longitud deseada de 117 mm y que la superficie plana donde apoya la pinza de freno sea perpendicular a los taladrados. Respecto a los parámetros de corte del planeado, la profundidad de pasada axial es de 1 mm y la radial de 18 mm. La herramienta gira a una velocidad de 1800 rpm, la máxima permitida por la máquina, y el avance será manual. A continuación, se cambia de herramienta y con la broca de 8.5 mm se realizan los dos taladrados. La velocidad de giro recomendada por los fabricantes es de 1872 rpm, por lo que la herramienta gira a la velocidad máxima que permite la fresadora, 1800 rpm. El avance recomendado es de 330 mm/min, pero el taladrado se realiza manualmente, con velocidades de avance inferiores. Se taladra hasta una profundidad de 20 mm y después con los machos de roscar se obtiene la rosca de M10. Finalmente, se monta la pinza de freno con los tornillos para comprobar que la operación se ha realizado bien. Tabla 17: parámetros de corte de la operación taladrado de los tornillos pinza. S (rpm) Vc (m/min) ap (mm) ae (mm) Planeado 1800 113.1 1 18 Taladrado. 1800 48 - 4.75 Todas las operaciones que se realizan de ahora en adelante son para mecanizar el material excedente de la preforma y obtener el diseño final de la puntera. Es decir, no son operaciones críticas, solo son para reducir el peso de la pieza. 132 2.4.2.2.5 Operación de planeado del brazo 1 y 2 Se ha decidido comenzar mecanizando el exceso de material de los brazos en la dirección perpendicular a ellos. Es una operación simple que se puede realizar con una serie de planeados. De hecho, se necesita hacer dos operaciones para mecanizar el material de ambos lados del brazo y así conseguir el espesor de brazo diseñado. Para maximizar su productividad, se utiliza una fresa de planear de 60 mm de diámetro, la mayor de la que se dispone en el taller para la fresadora Opti Mill F3. La herramienta realiza un recorrido rectangular, tangente a los redondeos que se realizan en operaciones posteriores. Asimismo, este recorrido es helicoidal porque se ha comprobado que las vibraciones se reducen al mecanizar de esta manera, por lo que el acabado final es mejor y la herramienta sufre menos. Ilustración 88: amarre del primer planeado del brazo. 133 La puntera se amarra en la mordaza por las dos superficies mecanizadas en los planeado de las dos primeras operaciones, como se puede ver en la ilustración 88. El origen del sistema de coordenadas se ubica en el eje del alojamiento del eje delantero, en el plano mecanizado en la trayectoria rectangular de la primera operación. Para obtener las referencias se utiliza el palpador midiendo en superficies mecanizadas: el alojamiento del eje delantero y la superficie mecanizada en la última trayectoria de la primera operación. En cambio, si no se utiliza una superficie mecanizada y bien referenciada, puede ocurrir que el brazo final sea más ancho que el diseñado porque la preforma es ligeramente mayor que 50 mm o que el planeado no sea tangente a los redondeos posteriores. Los parámetros de corte se han obtenido de la experiencia del equipo de mecanizados anteriores con esta herramienta y material: • Velocidad de giro: 1000 rpm • Velocidad de avance: 700 mm/min • Profundidad de pasada axial: 0.5 mm • Profundidad de pasada radial: variable, máximo 45 mm Para hacer el segundo planeado se coloca la puntera en el otro lado de la mordaza y se amarra de la misma manera. El sistema de coordenadas se sitúa en el mismo eje, pero en la cara opuesta, como se aprecia en la ilustración inferior. Estos dos planeados son intercambiables, es decir, no importa el orden de ejecución. No obstante, no se deben confundir entre ellos, pues las trayectorias difieren y la profundidad final también es distinta porque la puntera no es simétrica. 134 Ilustración 89: amarre del segundo planeado. Tabla 18: parámetros de corte de la fresa de planear (F3). S (rpm) Vc (m/min) fz (mm) Vf (mm) ap (mm) ae (mm) Planeado 1000 188.5 ? 700 0.5 45 (max) 2.4.2.2.6 Operación de fresado de las cavidades de la base de la puntera En esta operación se mecaniza el cilindro de la primera operación y se realizan las perforaciones para el tornillo del cartucho de la suspensión. Debido al tamaño de la puntera y la longitud de las herramientas necesarias para esta operación, se utiliza la fresadora manual Lagun por su amplitud de movimiento en el eje z. Se ha ubicado el centro del sistema de coordenadas en el eje del cilindro mecanizado en la primera operación, en el plano superior. Con el palpador se toman cuatro medidas en el perímetro del cilindro y se obtiene la colocación del eje del cilindro. Después, con cada herramienta se obtiene la referencia para la coordenada z. 135 Ilustración 90: sistema de coordenadas de la operación de fresado de las cavidades de la base de la puntera. En primer lugar, se efectúa un planeado para mecanizar dicho cilindro. En este planeado se utiliza la fresa de planeado de la máquina, con un diámetro de 80 mm. La fresa gira a una velocidad de 750 rpm, recomendada por los fabricantes (Izar, 2020). Por otro lado, el avance depende de las velocidades o marchas disponibles de la fresadora. En este caso se utiliza una velocidad de avance de 310 mm/min. Las entradas axiales se realizan manualmente, siendo cada una de 1 mm y realizándose en lugares sin material para evitar mecanizar en este sentido. Después, se cambia de herramienta y se coloca una broca de 10 mm de diámetro. Con esta broca se vuelve a tomar la referencia en el eje z, consiguiendo el sistema de coordenadas de la ilustración 90. De hecho, cada vez que se cambie de herramienta se ha de cambiar la referencia en el eje z por la diferencia de las longitudes de herramienta. A continuación, se realiza un ciclo de perforado hasta una profundidad de 70 mm (verde) para asegurar que el agujero de 10 mm sea pasante. Para ello la broca gira a una velocidad recomendada de 1592 rpm. Por otro lado, el avance se realiza manualmente. 136 Seguidamente se monta una broca de 15 mm y se realiza otro taladrado, en este caso a 1061 rpm y hasta una profundidad de 55 mm. Por último, se coloca una fresa larga de 16 mm, y mediante una entrada axial de 58 mm se consigue el abocardado para la cabeza del tornillo del cartucho de la suspensión (azul). Este fresado se realiza a una velocidad de giro de 1800 rpm, la máxima permitida por la máquina. Ilustración 91: mecanizado de la operación de fresado de las cavidades de la base de la puntera (corte por el centro del cilindro). Después de finalizar esta operación se monta la suspensión delantera con el cartucho incluido para asegurar el correcto montaje. Tabla 19: parámetros de corte de la operación de fresado de las cavidades de la base de la puntera. S (rpm) Vc (m/min) fz (mm) Vf (mm) ap (mm) ae (mm) Planeado 750 188.5 - - 1 43 (max) Broca 10 1592 50 - - - 5 Broca 15 1061 50 - - - 2.5 Fresa 16 1800 90.5 - - - 1 137 2.4.2.2.7 Operación de desbaste de la base inferior En esta operación se realizan dos fresados con la fresa de 8 mm para conseguir la geometría de la parte inferior de la puntera. En este caso no es posible utilizar la mordaza debido a la geometría del brazo, por lo que se desmonta la mordaza y en su lugar se utiliza un pisador y cuatro calas para amarrarlo a una altura de 11 mm sobre la mesa de trabajo de la fresadora Opti Mill F3. Al no utilizar la mordaza, es posible que la puntera no esté alineada con el eje x de la fresadora. Para comprobarlo se utiliza el reloj comparador, ajustando el amarre hasta conseguir un resultado satisfactorio. El sistema de coordenadas se encuentra en el alojamiento del eje delantero, en la superficie superior mecanizada. Para conseguir las referencias de este origen se utiliza el palpador, ya que todas estas superficies ya han sido mecanizadas y acabadas. Ilustración 92: amarre de la operación fresado de la base de la puntera. Una vez la puntera está bien amarrada, con una fresa larga de 8 mm se realizan dos fresados para conseguir los dos cortes de la base de la puntera. Para ello, la herramienta gira a una velocidad de 3500 rpm, con lo cual la velocidad de corte es de 300 m/min. Por otra parte, las profundidades de pasada axial y radial son, respectivamente, 1 y 2 mm. El avance que se utiliza es menor que el valor recomendado por el proveedor (Izar, 2020), pero con la experiencia del equipo se sabe que con esta velocidad se obtienen buenos resultados. 144 Ilustración 99: mecanizado de la operación perfilado. Tabla 23: parámetros de corte de la operación perfilado. S (rpm) Vc (m/min) fz (mm) Vf (mm) ap (mm) ae (mm) Fresado 3500 88 0.0214 300 1 1 2.4.2.2.11 Operación para los agujeros de los tornillos del eje En esta última operación se consigue el sistema de apriete del eje delantero (ver ilustración 100). Primero, con una broca de 5 mm se realizan dos taladrados pasantes. Seguidamente se cambia de herramienta y con una fresa de 11 mm se efectúa una pequeña entrada axial para mecanizar una superficie plana donde pueda apoyar la cabeza del tornillo. Después, utilizando una sierra manual se realiza un corte paralelo al alojamiento del eje. A continuación, con una fresa de 6 mm se perfora desde la superficie de apoyo del tornillo hasta el corte de la sierra. Finalmente, con una terraja de M5, se mecaniza una rosca en la zona del agujero de 5 mm. De esta manera, el eje delantero se puede montar fácilmente en la puntera por la ranura del corte de la sierra, aunque los diámetros no sean exactos. Luego, con los tornillos se proporciona el apriete necesario para una buena sujeción. Estos procesos de mecanizado se pueden realizar en la fresadora manual Lagun o en la fresadora Opti Mill F3, dependiendo de la disponibilidad de cada una. Los parámetros de corte recomendados para esta operación son las siguientes: 145 Tabla 24: parámetros de corte de la operación para los agujeros de los tornillos del eje. S (rpm) Vc (m/min) fz (mm) Vf (mm) ap (mm) ae (mm) Broca 5 3183 50 0.04 255 0.08 2.5 Fresa 11 3500 121 0.014 100 4 5.5 Fresa 6 3500 66 0.007 50 1 0.5 Ilustración 100: mecanizado de la operación para los agujeros de los tornillos del eje. 2.4.2.3 Casquillos Para el montaje del tren delantero inferior se necesitan 4 casquillos: 1 casquillo para asegurar la separación de la llanta delantera y 3 casquillos para separar el disco delantero de la llanta. Estos tres últimos casquillos son iguales, con una longitud de 3.5 mm, diámetro exterior de 10 mm e interior de 6 mm. Por otro lado, el casquillo separador de la llanta tiene un diámetro interior de 25 mm, exterior de 30 mm y una longitud de 10 mm. Todos los casquillos son cilíndricos, geometrías que se pueden obtener fácilmente en un torno manual, como el torno quantum D 250 x 550 E que se encuentra en el taller. Como las piezas son pequeñas, para su fabricación se ha utilizado el material que se encuentra en el taller del equipo (barras de aluminio), sobrante de proyectos anteriores, por lo que no hay necesidad de adquirir material nuevo. 146 Las operaciones son simples taladrados, cilindrados exteriores y refrentados para obtener los casquillos finales. En el caso de los separadores del disco de freno se utiliza una única broca de 6 mm, pero en el casquillo del eje delantero se utilizan cuatro brocas en total, de 6, 15, 20 y 25 mm, para así reducir la potencia necesaria. Después se realizan cilindrados exteriores para conseguir el diámetro exterior del diseño. Estos cilindrados pueden realizarse con el torno sea con el control manual o mediante la marcha automática. Por último, se refrentan los casquillos hasta obtener la longitud deseada. Este torno no varía la velocidad de giro, pero se ha comprobado que es adecuada para mecanizar piezas pequeñas de aluminio. 147 3 ASPECTOS ECONÓMICOS En este proyecto no interesa la rentabilidad económica porque solo se producen las piezas necesarias para el tren delantero inferior de dos prototipos. Es decir, no se trata de una producción en serie, por lo que realizar un estudio de rentabilidad carece de sentido. Por lo tanto, solamente se describe el presupuesto necesario para este proyecto. 3.1 Descripción del presupuesto A continuación, se detalla el presupuesto del proyecto, donde se tienen en cuenta los gastos asociados a las adquisiciones y a la producción. Los costes de la producción engloban las amortizaciones, el consumo eléctrico y las horas internas del proyecto. En cuanto al coste de las adquisiciones, a lo largo del proyecto se han comprado dos discos de freno delanteros DF870CW de Galfer, 5 preformas de las punteras y una barra perforada de acero inoxidable para el eje delantero. El material que se ha utilizado para la fabricación de los casquillos y separadores ha sido reciclado del material disponible del taller, sobrante de otros proyectos concluidos, por lo que no se tiene en cuenta. Por otro lado, ha de tenerse en cuenta que en las adquisiciones no incluyen el IVA porque el equipo forma parte de la Fundación Euskoiker. Tabla 25: coste de las adquisiciones. Adquisiciones Componente Cantidad Precio unitario (€) Total (€) Disco de freno DF870CW 2 204 408 Preformas de la puntera 5 40 200 Barra perforada inox. 1 70 70 Precio total 678 148 Para calcular los siguientes gastos, amortizaciones y consumo eléctrico, se deben de tener en cuenta el tiempo de fabricación y uso de cada máquina. Como la fabricación de las piezas aún no ha concluido, estos gastos son una estimación obtenida a partir del tiempo utilizado hasta el día de hoy más la estimación de la duración de las siguientes operaciones. Las pérdidas de valor de los activos a lo largo del proyecto: Tabla 26: amortizaciones. Amortizaciones Activo Uso (h) Vida útil (h) Coste (€) Amortización (€) PTC Creo 5.02 100 2500 500 20,00 Fresadora Optimum Mill F3 150 80000 20000 37,50 Fresadora manual Lagun 4 80000 3000 0,15 Torno Pinacho ST225 20 80000 30000 7,50 Sierra eléctrica Optimum S100G 1 80000 1000 0,01 Torno quantum D 250 x 550 E 3 80000 2500 0,09 Total 65,26 Para los gastos de consumo eléctrico se ha considerado que el precio de la energía eléctrica es de 0.12 €/KWh. Por lo tanto, el coste eléctrico es el siguiente: 149 Tabla 27: coste del consumo eléctrico. Consumo eléctrico Máquina Potencia (KW) Uso (h) Precio (€/KWh) Coste (€) Fresadora Optimum Mill F3 1,5 150 0,12 27,00 Fresadora manual Lagun 1,2 4 0.58 Torno Pinacho ST225 9 20 21,60 Sierra Optimum S100G 0,37 1 0,04 Torno quantum D 250 x 550 E 0,75 3 0,27 Total 49.49 Por último, a partir del salario del personal del proyecto y las horas trabajadas se consigue el coste de las horas internas: Tabla 28: coste de las horas internas. Horas internas Personal Tiempo (h) Coste (€/h) Coste total (€) Ingeniero 350 20 7000 Operario 250 15 3750 Total 10750 Finalmente, sumando todos los gastos previos, se obtiene el presupuesto total del proyecto: 150 Tabla 29: presupuesto total del equipo. Presupuesto Adquisiciones 738,00 Amortizaciones 65,26 Consumo eléctrico 49.49 Horas internas 10750,00 Total 11602,75 151 4 CONCLUSIONES El objetivo principal de este proyecto es diseñar y fabricar una puntera competitiva para el equipo de MotoStudent Bizkaia ESIBilbao. Esta puntera es compatible con la pinza de freno delantero suministrada por la organización y con la horquilla de la suspensión delantera adquirida. Además, se ha desarrollado una puntera por debajo del peso deseado, con un peso final de 405 gramos. Gracias a este diseño se ha conseguido reducir el peso total del tren delantero inferior, disminuyendo la masa suspendida y mejorando el comportamiento dinámico de la motocicleta. Asimismo, esta puntera soporta las cargas aplicadas en la frenada garantizando una vida útil superior al uso estimado del prototipo. Teniendo en cuenta que el diseño de la puntera cumple la normativa de la presente competición MotoStudent y los requerimientos impuestos por el equipo, se concluye que el diseño de la puntera es satisfactorio. Por otro lado, esta puntera diseñada se ha fabricado en las instalaciones del equipo en el taller de la Universidad. El proceso de fabricación ha sido más complicado y largo de lo esperado en un principio debido a la necesidad de asegurar las restricciones geométricas para el correcto montaje del tren delantero inferior. Sin embargo, se ha conseguido fabricar las punteras necesarias. Junto con la puntera también se ha diseñado y fabricado el eje delantero. Este eje soporta las cargas que surgen en la frenada asegurando una vida útil infinita. Su proceso de diseño y fabricación ha sido más sencillo que el de la puntera, obteniendo un resultado final apropiado. El diseño del eje delantero proporciona un tren delantero inferior fácil de montar y desmontar. Este hecho ayuda en el cambio de la rueda delantera. Por otra parte, la puntera izquierda de Andreani limita el diámetro exterior máximo del eje delantero en la zona del alojamiento. Este factor aumenta el peso del mismo y el tiempo de fabricación por los ciclos de taladrado que se realizan para aumentar el diámetro interior en la zona central del eje. Respecto al disco de freno delantero, se ha adquirido un componente comercial. Gracias a este disco se ha conseguido aligerar aún más el peso del tren delantero inferior, mejorando la competitividad del prototipo. Asimismo, se han fabricado seis casquillos separadores para asegurar que el disco se coloca adecuadamente en el centro de la pinza de freno. 152 En lo que se refiere a la frenada, se supera la fuerza de frenada mínima impuesta por la organización. De hecho, se ha obtenido una fuerza de frenada capaz de producir el efecto “caballito invertido”. Esta fuerza es la mayor que utilizará el piloto en una situación crítica, porque no tiene sentido frenar más bruscamente, aunque el sistema lo permita. Dicha fuerza de frenada ha sido utilizada para el cálculo del eje delantero y la puntera. 153 5 BIBLIOGRAFÍA Abasolo, M. (2017). Klaseko apunteak. Andreani MHS, Moto Engineering Doundation. (2017). V International Competition MotoStudent. Motorcycle fork-shock absorber optional kit. Avilés, R. (2015). Métodos de cálculo de fatiga para ingeniería. Epidor. (2019). Catálogo de juntas tóricas. Obtenido de https://epidor.com/documentos/08Epidor-Seals-and-Rubber-Technology-Catalogo-Juntas-Toricas.pdf Foale, T. (2003). Motocicletas. Comportamiento dinámico y diseño del chasis. El arte y la ciencia. (D. Sanchéz, Trad.) Galfer. (03 de 12 de 2019). Galfer. Obtenido de Moto Catalogue 2018-2019: https://galfer.eu/moto/wp-content/uploads/sites/2/cat_galfer_moto_2018-19-1.pdf Izar. (14 de Julio de 2020). Izar cutting tools. Obtenido de izartool.com: http://www.izartool.com/images/descargas/pdfs/IND-18_web.pdf Matweb. (19 de 07 de 2020). Matweb. 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