Memorias del Congreso ASME USB 2005: IV CONGRESO ANUAL DE
INGENIERA ASME USB 2005 16-18 de junio, 2005, Caracas - Venezuela
AUSB2005-100101 ANLISIS DE UN NOVEDOSO BASTIDOR DE BICICLETA DE
PISTA; ESTUDIO DE LOS ESTADOS TENSIONALES Martn Javier Portillo
MedinaUniversidad de Los Andes Miguel A. Daz DIMMA, Dpto. Tecnologa
y Diseo,Universidad de Los Andes Rubn D. Chacn DIMMA, Dpto.
Tecnologa y Diseo Universidad de Los Andes RESUMEN
Sepresentaelanlisis,utilizandoelMtododelos Elementos Finitos (MEF),
de un bastidor de bicicleta de pista. Para el diseo geomtrico del
bastidor se utilizaron las normasestablecidas por la Federacin
Internacional de Ciclismo. Con la finalidad de determinar las
magnitudes y direcciones de las cargas actuantes sobre el
bastidor,se disearon ensayos. Estos
permitieronconocerlascondicionesdecargacrtica.La
construccindelmodeloseelaborapartirdebosquejos
planos,utilizandoprogramasdedibujoasistidopor
computadora(CAD).Finalmente,elestadodeesfuerzoenel
bastidorsedeterminmedianteunpaquetedeIngeniera
AsistidaporComputador(CAE).Losresultadosobtenidos muestran que el
bastidor soporta satisfactoriamente los estados de carga a los que
fue sometido. INTRODUCCIN. El diseo de bicicletas de pista ms
livianas y resistentes
sefundamentaenconocerdemaneraprecisaelestadode
esfuerzospresentesenelbastidor.Unodelosprincipales problemas que se
desea resolver en las bicicletas de pista, es el
peso,esdecir,fabricarbicicletaslivianas,dentrodelrango aceptable
para aprovechar el mximo de potencia generada por
elciclista.Porlacomplejidadgeomtrica-estructuraldeestas
bicicletas,actualmentelareduccindelpesoeselprincipal
aspectoatomarencuentaalahoradedisearunanueva
bicicleta.Adicionalmenteexistenorganismosinternacionales
queregulanycreanlosreglamentosdeldeporteciclstico,en bsqueda de dar
mayor igualdad a los equipos y evitar alguna
ventajaquepudierabrindarlageometradelasbicicletas.
Estosorganismosexigenycreanpruebasdecargasalasque debern someterse
los nuevos bastidores, para as cumplir con los requerimientos
impuestos por estos entes reguladores.
Eneldiseodepartesy/opiezas,elMtododelos
ElementosFinitos(MEF)estsiendoutilizadoconmayor frecuencia en la
industria de hoy, principalmente debido a las
ventajascomparativasqueelmtodopresentaalahorade
evaluarunnuevoproducto.Loscostosdebidoala
construccindeprototipossedisminuyen,yaqueelmtodo
aportamejorymayorinformacin,enlasfasespreviasala construccin del
prototipo. Loanteriorconstituyeelobjetodelpresentetrabajo.En
elcualseempleanmtodosderesolucinnumricapara
conocerlosestadostensionlesdeunnovedosobastidorde bicicleta de
pista.El estudio busca conocer el comportamiento
delbastidor,paragarantizarqueresistalascargassin comprometer su
peso.Losestudiospreviosdebicicletasatravsdemtodos computacionales,
se basan en su mayora en bastidores de tipo
tubular,taleselcasodelestudiorealizadoporPetersony
Londry[1].Ensuinvestigacin,losautoresanalizanel bastidor de una
bicicleta de ruta de la marca Trek modelo 770
yplanteanlaimportanciadelasnuevasherramientasde anlisis
estructural.Un estudio de los estados de tensin y el comportamiento
delmateriallaminadocompuestodeunnuevobastidorde
monocascoparaunabicicletadepistafueelpresentadopor
Goi[2].Eltrabajosepresentadelasiguienteforma;primerose
describeeldiseodelbastidor,seguidamentelageometrase
parametrizautilizandoherramientasdediseoasistidopor
computadorCAD:AUTOCAD2002eINVENTORde
AUTODESK.Luegolascargassobrelaestructurason determinadasconelobjeto
deanalizarmedianteherramientas
CAE(enestecasoanlisisdeelementofinito)eldesempeo del bastidor. Por
ltimo se presentan y discuten los resultados obtenidos. 1 EL
BASTIDOR Eldiseodeunbastidordebicicletadepistadebe
respetarlascondicionesgeomtricasimpuestasporlaUnin
deCiclistaInternacional(UCI),cuyosmiembrosbuscan
otorgarmayorigualdaddeparmetrosgeomtricos.Estas
condicionespresentadasenelao1976,describen
restriccionesquedebenrespetarseenlascompeticiones.Las
normasdelaUCIpuedenserconsultadasenelmanualdel
entrenadordeciclismodelaComisinNacionaldelDeporte mexicano (CONADE)
[3]. Lasespecificacionesdelasdimensionesycotasseestablecen
respectoa cinco puntos de referencia mostrados en
lafigura1yson[3],[5]:1)Lasposicionesdelasiento.2) Apoyo de los
brazos del ciclista. 3) Centro de la rueda trasera.
4)Centrodelaruedadelanteray5)Centrodelacajade pedales. A partir de
las especificaciones de distancia entre los
puntosdereferencia,seproyecteldiseodelbastidorde bicicleta
presentado en la figura 2. Figura 1. Representacin de los puntos de
diseo. Figura 2. Esquema de la bicicleta propuesta.
Unadelascaractersticasmsresaltantesdeldiseo
propuestoeselacopledelaruedadelantera,mostradaenla figura 3. Este
diseo se sale de lo tradicional, donde el acople
delaruedadelanteraestsujetoalbastidorporsueje.La
configuracinpropuestaparalaruedadelanteraconsiste nicamente del aro
(ring), el cual se mueve por un riel con una seccin transversal en
forma de T fijo en el aro de la rueda, dos patines sujetos al
bastidor en la parte superior y otro en la inferior. Los soportes
sirven degua de la rueda delantera.
Otradelasvariacioneshechasaestediseoenrelacin
conlosmodelosactualeseselempleodeunmonobrazo
trasero.Enlaactualidadseimplementandossoportesenla rueda trasera,
que habitualmente se ubican uno de cada lado de
lamisma.Enestediseoseutilizaunnicosoporteo monobrazo del lado en
que se transmite la potencia,esto con
lafinalidaddedisminuirelpesodelbastidor.Lafigura4
muestralacomparacinvisualentreunapoyocomnyel monobrazo trasero
propuesto para este diseo. Figura 3. Corte transversal del soporte
inferior de la rueda delantera. Figura 4. Apoyo trasero propuesto
en la figura de la izquierda y apoyo comn en la figura de la
derecha. La configuracin monobrazo trae como consecuencia un
incrementoenlosesfuerzos.Enlafigura5semuestraun esquema de las
cargas generadas en el apoyo del monobrazo. 2 Figura 5. Detalle y
representacin de las fuerzas en el monobrazo.
Esteapoyoocasionabaunmomentoflectordebidoala carga de reaccin en la
rueda trasera. El momento es producto de la fuerza de reaccin por
la distancia formada entre el punto
decontactodelaruedaconelpisoyelpuntodeunindel bastidor con el eje
de la rueda. Con el objeto de disminuir este
efecto,seredujoladistanciaentreelpuntodesujecinyel punto de
contacto entre la rueda y el piso, por lo que el punto de apoyo se
desplaz hacia el centro del eje de la rueda. Esto coloca el pin de
transmisin por fuera del bastidor y no por
dentro,queeslousual,lograndodeestaformadisminuirel valor delmomento
generado en este punto. El resultado de la variante del monobrazo
aplicado a este diseo se muestra en la figura 6. Figura 6. Detalle
final del monobrazo. Elincrementodelalongituddelsoportedelsilln
mostradoenlafigura7,sehizoconelfindeutilizarmenos
espacioyporendemenosmaterialparalograrunamayor esbeltez en el
diseo. Figura 7. Mstil del silln comparado con el diseo actual.
Figura 8. Corte del bastidor; casquete delgado y huecoLo que se
persigue lograr con este diseo en particular de
bastidoryruedadelantera,esladisminucindelpesodel conjunto total de
la bicicleta y no nicamente del bastidor, por tanto el bastidor se
dise como un casquete hueco. La figura 8 muestra las secciones que
constituyen el cuerpo del bastidor. CREACIN DEL
MODELOEnestaetapaseelaborunmodelotridimensionaldel
bastidorlomascercanoposiblealageometraoriginal deseada.
Paralacreacindelmodeloseempleelprograma AutoCad 2002 y Inventor de
Autodesk [4], ya que el programa
permitelaelaboracindelageometradelbastidordeforma
paramtrica,deestamaneralageometradelbastidorpuede
sermodificadayanalizadaparadistintasconfiguraciones
geomtricas.AdicionalmenteelprogramaAutodeskInventor se integra a
paquetes CAE, debido apermite generar archivos en formato ASCIS o
.SAT. El modelo final del bastidor se muestra en la figura 9
endondesedestacalaruedadelanteraylabajaposicindel ciclista. CARGAS
Y APLICACIN. Conelobjetodedeterminarlascargasalaqueest sometido el
bastidor, se realizaron ensayos sobre una bicicleta
tubulartradicionaldepistayruta.Losensayosaportaronla informacin
sobre las magnitudes y direcciones de las fuerzas.
Estosensayosserealizaronparalascondicionesmscrticas
decargaquesufreunabicicleta.Sedefinieron4estados crticos, descritos
a continuacin: 3 Figura 9. Diseo final propuesto
1.Posicindearranqueparado:enestaposicin
elciclistaseencuentraapoyadosoloporsus piernas y brazos ejerciendo
el mximo de fuerza, conelfindeobtenerunimpulsomximoala arrancada,
teniendo que vencer la inercia. 2.Posicin de arranque sentado: en
esta posicin elciclistatratadevencerlainerciadelarranque
enunaposicinsentadosobreelsilln,teniendo as tres puntos de apoyo,
los pedales, el silln y el manubrio;enestemomentoelciclistatratarde
aplicarlamximafuerzaposibleparagarantizar una salida rpida.
Adicionalmentesobreelbastidorserealizarondos
pruebassugeridasporautoresPetersonyLondry[1],
denominadasImpactoVerticalyelImpactoHorizontal, estas pruebas
consisten en: Elimpactovertical:Estacargasimulalasvibraciones
ocasionadasporelciclistaalrodarporelcamino.Estacarga
seobtienemultiplicadoelpesodelciclistaporunvalorG
equivalentealpesodelciclista,esdecir,elvalordelacarga aplicada en
el silln es tomada como n G, siendonel numero de veces que se
estima el aumento de la fuerza del ciclista por
razndeimpactoporvibracin.Estevalorsepuedeobtener
realizandounsencilloensayo,colocandouninstrumentode
medicindepesoocargaenelsillnyhaciendorodaral
ciclistaporunazonaquepudieserepresentareldesnivel existente en un
camino. Elvalormedidofuede2G,aunqueestevalorpuede
parecerbajo,esdehacernotarqueunincrementomayorde
estafuerzaesinnecesario,yaqueestasbicicletasruedanpor
unapistaperfectamentelisayporendeexisteunnico
impactoprobable,ocurridoenelmomentoenqueelciclista
pasadelperaltadoalazonadeseguridadocentrodelvalo, donde el cambio
de inclinacin es notable.
Elimpactohorizontal:Estapruebasimulaunimpacto
horizontaldelabicicletaabajavelocidad,esteimpactoser equivalente a
una carga esttica aplicada al eje de la rueda con
unvalorde980Nycolocandoelejetraserocomoelnico
soporteyprivndolodetodomovimiento[1].Lapruebaes aprobada solo si el
bastidor no presenta fractura o deformacin permanente de su
estructura. Unavezdefinidosclaramentelosestadosdecarga
mximosenelbastidordeunabicicleta,sedeterminaronlas fuerzas
ejercidas por un ciclista en esos estados. Para ello fue
necesariocontarconunabicicletaquecumplieraconlas
dimensionespropuestasporeldiseoyconunciclistaque fuese de la talla
adecuada y practicase el
deporte.Seobtuvieronlasfuerzasutilizandobalanzas.Las pruebas y
mediciones que se realizaron fueron las siguientes: 1.Peso del
ciclista: se utilizaron tres balanzas para
pesaralciclistaencadaunadeellasyelpeso
finalsepromediapartirderesultadosdelas tres balanzas.
2.Pesoydistribucindelabicicleta:seobtuvo colocando las balanzas en
los puntos de contacto de la bicicleta y el
piso3.Distribucindelpesodelconjuntobicicleta-ciclista: se
determinaron las reacciones sin que el
ciclistaejercierafuerzaalgunasolodebidoasu propio peso. Ver figura
10.4.Fuerza en los pedales sentado: se le pidi al ciclista que
ejerciera la misma cantidad de fuerza para la arrancada, como si
estuviese sentado en el sillnparaasmedirlafuerzaqueeracapazde
ejercer en el pedal de
bajada.Estafuerzafuemedidaenvariasdelasposicionesdel pedal para
determinar la posicin en donde el valor del torsor aplicado sera
mximo. Se tomaron 3 puntos de referencia para
lasmedidas,elprimerodeellosa60gradossegnla horizontal del pedal,
otro a 45 grados y por ltimo a 0 grados,
encontrndosequeelmximomomentotorsorsegenerabaa 45 grados. Figura
10. Distribucin del conjunto Ciclista bicicleta.
EltorsorobtenidosesupusoconstantebasadoenBiciWorld[7],revistaespecializadaenciclismo,que
establece que un ciclista profesional ejerce una fuerza con un
movimiento circular, es decir, si tomamos un giro del pedal y lo
dividimos en dos partes la primera sera desde las 12 horas
hastalas6horasdegiro,elciclistaejerceunafuerza descendente, pero a
partir de las 6 horas en el giro restante, el ciclista profesional
es capaz de generar una fuerza ascendente
equivalenteaun30%delafuerzadedescenso,porloqueel
torsorresultantepodrahacersecasiconstanteconpequeas 4 fluctuaciones
que pueden considerarse nulas para este estudio, dando como
resultado un torsor constante.5.Fuerza en los pedales parado: al
igual que en elpunto4deestaseccin,seutilizelmismo anlisis para la
obtencin de las fuerzas.6.Fuerza en el silln: el ciclista se
sentara sobre la balanza(lacualestaracolocadasobreelsilln) en la
posicin adecuada sin modificar la altura de
contacto,esdecir,quesedebibajarelsilln tanto como el espesor de la
balanza y se le pidi alciclistaqueejercieralamismafuerzaparaas
medirlasreaccinenelsillnolafuerzasobre este.7.Fuerzas en el
manubrio: para los casos donde el
ciclistatratadearrancar,bienseadepieo
sentadodebeadoptaryejercerlasfuerzas
necesariasparalograrlaarrancadayas
determinarlasdireccionesymagnitudesdelas cargas aplicadas en el
manubrio.Lasfuerzasenelmanubriosonlascargasms
complejasdelsistema,yaqueestasvaranen cada pedaleada del
ciclista.Estasfuerzasseestimaron,utilizandounamesa
comoapoyoalaalturadelmanillarparaevitar
elmovimiento,labalanzafuecolocadaentrela
mesayelmanillar(conlaconfiguracin
manillar-balanza-mesa)conlafinalidadde
medirlasfuerzasdescendientesejercidasporel
ciclista.Paralasfuerzasascendentesla
configuracindelmontajedemedicinfue
mesa-balanza-manillar,ambasconfiguraciones son vistas de arriba
hacia abajo en el eje vertical.
8.Fuerzasdedistribucindepeso:encadauno
deloscasospresentadossemidieronlosvalores
delasfuerzasenlospuntosdecontactodelas
ruedas,parasaberaslasdistribucionesdepeso de las diferentes
situaciones. Enesteestudionoseconsideraronlascargasporfatiga
yaqueeltiempodeaplicacindelacargaes30y60
segundos,estoocurreenplenacarreradondeelciclistahace
sumayoresfuerzoyalcanzalasmximascondicionesde
velocidad.Adicionalmente,lacarreratotaldurasolounos
minutos(enlamayordelasdisciplinaslacategoradeuna
hora),labicicletanosufreunacondicindefatiga
propiamentedicha,yaqueelnumerodeciclonopodraser
comparadoconlascurvasdevidadelosmaterialesendonde
sehablademillonesdecicloscontinuos,estaconjeturaes
hechatambinporPetersonyLondry(2000)[1],ascomo tambin por Goi (2000)
[2]. MODELO Definicindelosmateriales:Losanlisisserealizaronpara
dostiposdemateriales.Unaaleacindealuminio,yfibrade carbono. El
estudio se realiz en el rango elstico, isotrpico y homogneo. Para
la fibra de carbono descrita se puede afirmar
quedichasuposicinnoestamuylejosdelarealidad(esta
suposicinserefiereaunmaterialslidoynounamatriz-fibra).Losvaloresdelaspropiedadesmetal-mecnicaspara
estos materiales utilizados se muestra en la tabla
1.Tabla1.Propiedadesdelaaleacindealuminioutilizadaen el modelo.
Propiedades Mecnicas Fibra de carbonoAleacin de aluminio Mdulo de
Elasticidad 275 GPa71.0 GPa Relacin de poasson0.330.33 Densidad del
material1900 Kg./m32770 Kg./m3Limite de Fluencia a la traccin 300
MPa288 MPa Limite de Fluencia a compresin 300 MPa288 MPa Esfuerzo
ltimo315 MPa310 MPa Caractersticas del discretizado: Se utiliz el
elementotipo tetradricoslinealesde8nodos.Lascondicionesdel
discretizado,seobtuvieronapartirdeltamaopreliminar
predeterminadoqueofreceelpaquete.Seguidamentese
desarrollaronrefinamientos,entodalageometra)sucesivos,(mtodo h).El
discretizado final obtenido, a travs de estudiar la convergencia de
resultadosdelEsfuerzo Von-Misses, y del Error Estructural presentes
en el bastidor [8] fue de 20 mm.Estadosde
Carga:Definidaslascargasysusdirecciones,se definieron los estados
total de carga en la bicicleta, mostradosen la figura 11. Las
cargas se presentan en la tabla 2. Figura 11. Estados de cargas
totales en el bastidor. Tabla 2. Estados de Carga Estimados a
partir de Ensayos. 5 Sentado (Valores en Kilogramos)
VolantePedalesRuedasSilln DIDIDelTra 2753.655-4937 23 Parado
(Valores en Kilogramos) VolantePedalesRuedasSilln DIDIDelTra
3247.870-5335 - Definicindelosapoyos:Losapoyosdebenreproducirlas
restriccionesdemovimientorealesenunabicicleta.Las fuerzas actan
sobre las pistas de rodadura de los rodamientos
delosejes.Alanalizarcuidadosamentelascargasylos
movimientosquerealizaunciclistaalarrancar,sedetermin
quelomsconvenienteerautilizarapoyosdecompleta restriccin de
movimiento en el eje de la pista de rodadura de
laruedatraserayeleje derotacininferior delmanillar,esto
semuestraenlafigura12.Losapoyosderestriccintotal
impidenelmovimientoylosmomentosenlasdireccionesde los 3 ejes
coordenados XYZ, logrando simular las condiciones
realesdemovimientodeunabicicletaenlascondicionesde arrancada de pie
y arrancada sentado. Luegodeseleccionarlosapoyosydeaplicarlosenlas
superficies de rodadura, se compararon las cargas de reaccin
calculadasporelprogramaconlosvaloresmedidosenlos
ensayos.Seobtuvounavariacindesolo3.4Kg.encada
apoyo,estopuedeadjudicrselealadiferenciadepesodela
bicicletadeensayoyelbastidordelmodelo,cuyadiferencia es de 6.8 Kg.
Figura 12. Ubicacin de los apoyos de total restriccin de
movimiento. Estosapoyosrestringenelmovimientoenlastres
coordenadasdelsistemacartesiano,enlacual,solola
magnitudysentidodelasfuerzasdereaccinenladireccin del eje Y sern
las utilizadas para la comparacin, ya que esta
eslanicacomponentequepudosermedidaconla instrumentacin disponible
para los ensayos. VERIFICACIN DEL MODELO.
Seestablecierontresprocedimientosparalaverificacin de este estudio
MEF: Comparacindelosvaloresdelasfuerzasdereaccinen
losapoyos.Losvaloresdelasfuerzasdereaccinenlos
apoyos,secompararonconlosvaloresmedidos
experimentalmente.Comparacin de los esfuerzos en dos puntos de
prueba del bastidor:Secompararonlasmagnitudesdelosesfuerzos
aportadosporelprograma,endospuntosdeprueba,conlos
valoresdeesfuerzoscalculadosmediantelateorade
elasticidad.Elsoportesuperiordelaruedadelanteradel
bastidordelabicicletasehasimplificadoenunavigaen voladizo. Las
simplificaciones hechas para este estudio fueron necesarias para
lograr un estudio manual, ya que debido a que dicho soporte es un
elemento curvo, cuya curvatura obedece a la de una elipse con una
seccin transversal hueca compuesta,
estosumadoalhechodequeexisteunmomentoenla direccin del eje axial
aplicado en el extremo libre de la viga y
quedichavigatieneunaseccintransversalquenoes constante, daba como
resultado un estudio muy complejo.
Porloanteriorfuenecesariorealizarlassiguientes suposiciones:
Lavigaseasumircomorectacuyalongitudser
tomadadesdeelcentroidedelaseccintransversal
delempotramientohastaelcentroidedelaseccin transversal en el
extremo libre. La seccin transversal se asumir constante en toda la
longitud de la viga. Unavezhechaslassuposicionesparaesteestudiose
procedeaestudiarlaestructuradeformaesttica,conestose
esperacompararelvalordelosesfuerzos,yaqueestas
suposicioneshechaspararealizarelestudiotraencomo consecuencia un
error que difcilmente podra ser cuantificado,
sinembargo,elobjetoprincipaldeesteanlisisnoestomar
unadecisininmediatasobreelbastidorysuconstruccin
sinoqueelobjetivodeesteascomodeotrosestudiosesla obtencin de
valores mas cercanos a la realidad que ayuden a
ladisminucindeloscostos porloqueestasimplificacines viable a para
este estudio. Por otra parte, en el estudio de resistencia de
materiales en elsegundopuntodeestudioycomparacinnoserealiz
ningunasimplificacin,yaqueesteobedeceaun
comportamientodecolumnalarga(estepuntoestsituadoen la base de la
columna del silln), por lo que se podra asegurar
queenestepuntolosresultadossonmascercanosala realidad.
Convergenciadelosesfuerzosenelbastidor:Seempleel
mtodoh.Serealizarondiscretizacionesconsecutivasconla
finalidaddeobservarlaconvergenciadelosresultados
EsfuerzoVon-MissesyErrorEstructural.Eltamaodel
elementofuereducidoencadaensayo5mmpartiendode
50mmhastauntamaode5mm,estareduccinserealizen
todalageometradelbastidorporigualutilizandolos controles de tamao y
tipo de elemento que ofrece el programa de MFE. RESULTADOS DE LA
VERIFICACIN DEL MODELO 6 Losresultadospresentadosenesteapartadoson
obtenidos con un tamao final de malla de 20 mm con un tipo de
elemento tetradrico lineal (obtenidos del los resultados de la
convergencia de los esfuerzos en el bastidor). Comparacin de las
Fuerzas de Reaccin en los Apoyos.
Latabla3muestralosresultadosobtenidosdecompararlas fuerzas
obtenidas por el CAE y los medidos. Tabla 3. Fuerzas en los apoyos.
Apoyos (Soportes de total restriccin de movimiento) MedidasMEF
Arrancada de Pie Delantero510 N560 N Posterior350 N353 N Arrancada
Sentado Delantero580 N595.02 N Posterior280 N286.06
ESFUERZOSENDOSPUNTOSDEPRUEBADEL
BASTIDOR:Paraestacomparacinesnecesariopresentar
losclculosobtenidosenlospuntosdepruebaseleccionados
previamente.Enestospuntosserealizarunestudiode
esfuerzossegnlascargasylascondicionesdelmodelo.Los valores de
comparacin se muestran en la tabla 4. Tabla 4. Comparacin de los
esfuerzosPunto de prueba misses(MPa) misses MEF (MPa) Error (%)
133.35638.4915.32% 269.59965.765.82%
Losresultadosobtenidosdelacomparacindelos
esfuerzossonsatisfactorios,selogrunerrorrelativamente
bajo.Porotrapartelosresultadosobtenidosparaelpunto2
presentanunmejoracercamientoalvalordadoporel programa, encontrndose
un error porcentual de 6 % CONVERGENCIA DE LOS ESFUERZOS.
Paralaobtencin deldiscritezado final, seiniciocon un
tamaodeelementoinicialyseguidamentesehicieron
diferentesdiscretizados,empezandodelmximotamao tolerable para el
bastidor de 50 mm y disminuyendo el tamao
enintervalosde5mmSeprocedearealizarlosensayospara
50,45,40,35,30,25,20,15,10y5mm.Enlafigura13se muestra el tamao de
malla definitivo de 20 mm. El arreglo del discretizado seleccionado
(Tamao y tipo deelementodeldiscretizado),presentunamayorexactitud
en la obtencin de los esfuerzos segn una reduccin del error
inicial. Figura 13. Tamao de malla definitivo de 20 mm con un tipo
de elemento tetragonal lineal. La figura 14 muestra la
representacin de la distribucin
deesfuerzosenfuncindeldiscretizado.Elanlisismuestra que a partir de
un tamao de elemento de 20mm los valores de esfuerzos no
presentaban una variacin significativa. De igual forma la figura 15
representa la variacin del error estructural debido al tamao del
elemento.Definidoeltamaoytipodeelementodelmodelo,se
analizaronporcompletoloscuatroestadosdecargasquese
definieronparaesteestudio,yasobtenerlosestadosde
tensindelbastidor,elfactordeseguridadtotal,el
comportamientoydeformacionesdelbastidor,sonlas
herramientasconlascualesseevalueldiseodelbastidor basndose en los
estudios de tensiones. Figura 14.Variacin de las tensiones en
funcin del tamao del elemento. 7 Figura 15. Error Estructural vs
Tamao del Elemento ANLISIS DE LOS RESULTADOS Los valores de los
factores de seguridad obtenidos en los
puntosestudiadossepresentanenlatabla4.Losvalores
obtenidosindicanquelaestructurasoportalosestadosde carga a los
cuales fue sometido el modelo. Tabla 4. Valores de factores de
seguridad de las simulaciones Factores de seguridad Aleacin de
Aluminio Fibra de carbono Arranque de pie2.12.75 Arranque sentado
2.52.9 Impacto vertical2.853.06 Impacto horizontal 1.431.54 Los
valores de deformacin de los cinco puntos de apoyo
sondelordendemagnitudiguala1e-2mmparalafibrade carbono.
Lafigura16,muestraladistribucindelesfuerzoVon-Misses,enellaseaprecianlosvaloresmximoymnimo.
Adicionalmenteseobservaquelosmayoresesfuerzosse presentan en la
seccin curva de la parte superior del modelo. Figura 16.
Distribucin Esfuerzo Von-Misses.
Ladistribucindelfactordeseguridadalolargodel
monocascosemuestraenlafigura17.Enellaseapreciaque el factor de
seguridad a lo largo de la estructura es elevado, a
excepcindelazonadefinidaporelsoportesuperiordela rueda delantera
donde se ubica el manillar. Figura 17. Distribucin de Esfuerzos La
tabla 5 presenta los valores de mximo y mnimo del factor de
seguridad y esfuerzo de Von Misses, en la condicin
deArrancadadepie.Seanalizaestaposicinyaquees considerada la ms
crtica. La condicin de factor de seguridad
mnimayesfuerzomximosepresentaenlospuntosde
aplicacindelasrestriccionesmovimiento,elfactorde
seguridadescercanoalaunidad.Estosedebeaqueenel
modelopropuestolospuntosdeapoyoproducenuna concentracin de
esfuerzos. Tabla5. Valores mximos y mnimos de esfuerzo y factores
de seguridad. Arrancada de pie MximoMnimo Factor de seguridad
15.01.1 Esfuerzo2.08E088.47E-04 CONCLUSIONES Se analiz utilizando
el mtodo de los elementos finitos, los estados tensinales de un
novedoso casco de bicicleta.
Entrelasnovedadesdeldiseopropuestosetienenla utilizacinde
unmonobrazotrasero,esbeltezdeldiseoyla ausencia de un ring
delantero comn. Eltrabajoincluyounestudiodetalladodelestadode
cargas a las cual esta sometido la estructura.
Basndoseenelestudiopuedeafirmarsequela estructura es altamente
resistente. Esteanlisisessolo un pasoprevioalaconstruccin de
unprototipodondepuedanefectuarselosensayosnecesarios sin que estos
ocasionen un incremento en los costos finales del producto.
Esteestudiosehalimitadosoloaevaluarel
comportamientodelbastidorbasndosenicamenteenlos estados de tensin.
El estudio constituye solo un eslabnen la
cadenaquedefinirelfuturodelaproduccindeunnuevo
producto,porloquelasprincipalesrecomendacionesseran:
Estudioaerodinmico.Estudiodemanufactura.Estudio 8 de costos de
produccin. Anlisis de los diversos elementos de la bicicleta.
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