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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LOS SISTEMAS DE SEGURIDAD DE UN
VEHÍCULO VOLKSWAGEN GOL 2000CC PARA RALLY SEGÚN EL
REGLAMENTO 2014 DE LA FEDAK DELEGADA DE LA FIA EN EL
ECUADOR.
Ing . MSc . Fab ián Salazar / Ing . Félix Man jar rés / A ndrés
Rib adeneir a / Mari o Tova rUniversid ad de las Fuerzas Armadas -
ESPE
Departam ento de Cien cias de la Energía y Mecánic aQui jan o y
Ord oñez y Marq ués d e Maen za s /n
Email: [email protected], [email protected] ,
ch25rt@hotm ail.com, marioalejnd ro_@hotm ail.esLatacunga
– Ecuador
RESÚMEN
Este proyecto consta de la preparación de
un vehículo Volkswagen Gol estándar en
un vehículo de competición, mediante el
diseñar y construir los ítems de seguridad
según dicta el reglamento técnico deseguridad de la FEDAK
(federación
ecuatoriana de automovilismo y kartismo),
y sistemas como torreta de cambio de
marchas, freno de mano hidráulico y toma
de aire para mejorar la ergonomía del
piloto durante las competencias. Nos
basamos en el reglamento de la FEDAK,
por ser la entidad delegada del poder
deportivo internacional de la FIA en todo el
territorio ecuatoriano y reconocido por el
ministerio del deporte como máxima
autoridad deportiva. Para la realización de
este proyecto utilizamos el Software
INVENTOR para la construcción de todos
los sistemas y ANSYS para el estudio de
cargas estáticas.
ABSTRACT
This project consists of the preparation of a
standard vehicle Volkswagen Gol in a race
car, by designing and building safety items
as dictated by technical safety regulations
FEDAK (Ecuadorian federation of motor
racing and karting), and turret systems as
gearshift, hydraulic handbrake and air
intake to improve rider ergonomics during
competitions. We rely on the rules of the
FEDAK, as the body delegated the power
of international sporting FIA throughout the
Ecuadorian territory and recognized by the
ministry of sport as a maximum sports
authority. For this project we used Inventor
software to build all systems and ANSYS
for the study of static charges.
I. INTRODUCC IÓN
Por muchos años el deporte del
automovilismo se ha desarrollado con un
bajo nivel de seguridad en lo que
corresponde a sistemas para la protección
del piloto y copiloto en el habitáculo del
vehículo, con el pasar del tiempo se fueron
incrementando reglamentos técnicos de
seguridad para mejorar. Por tal motivo, este
proyecto genera parámetros de seguridad
para los autos y ocupantes, dentro del
nuevo reglamento establecido por la
Federación Ecuatoriana de Automovilismoy Kartismo (FEDAK), quien
menciona que
todos los vehículos deben cumplir con
homologaciones planteadas por la misma,
para aumentar el nivel competitivo y de
seguridad del rally en el Ecuador.
Figura 1: Vehículo de rally VolkswagenGol
Fuente: Ribadeneira A, Tovar M.
Este proyecto abrirá nuevas alternativas
para estudios que presenten situaciones
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]
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similares a las que aquí se plantea,
sirviendo como marco referencial a estas.
El Vehículo preparado consta de los
requisitos del reglamento de seguridad
como son: jaula de seguridad, sistema de
extintor centralizado, ganchos de remolque,
asientos y cinturones homologados para
competencia, torreta de cambio de
marchas, freno de mano hidráulico, toma
de aire.
I I. DISEÑO DE LA JAULA DE
SEGURIDAD
La configuración geométrica de la jaula se
la realizó considerando la reglamentaciónde la FEDAK y tomando
en cuenta elespacio interior del vehículo para el cual vaa ser
proyectada la jaula, que nuestro casoes un Volkswagen Gol 2000 cc,
para elefecto de realizar el diseño se procedió aproyectar la
configuración geométrica de la
jaula de seguridad considerando loselementos estructurales
que conforman lamisma y que se describieron en el puntoanterior,
para el efecto se utilizó elprograma de diseño asistido
porcomputadora Inventor versión estudiantilcomo se observa en la
figura 26 deldimensionamiento de la jaula de seguridad.
Figura 2: Geometría de la jaula deseguridad
Fuente: Ribadeneira A, Tovar M.
I II . ANA LISIS DE LA JAULA DE
SEGURIDAD
Para el tipo de material a utilizarse en la
jaula de seguridad el reglamento dicta quedebe ser de tubo
estructural negro de 2milímetros de espesor como mínimo, elmismo
que cuenta con un esfuerzo mínimoa la tracción de 310 MPA, para el
diseño yconstrucción de la jaula de seguridad elmaterial utilizado
es un acero A560 con unesfuerzo mínimo a la tracción de 350
MPasiendo mayor que el recomendado en elreglamento.En el arco
central de jaula de seguridad elreglamento dicta que el diámetro
del tubono debe ser menor a 1”7/8 de pulgada, en
el proyecto se utilizó tubo de 2” para laconstrucción del arco
central.La jaula de seguridad cuenta con 6anclajes con placas de
5mm con 3 pernosde grado 8 cada una para la fijación, cuentacon dos
tubos en forma de x en cada ladode las puertas para la protección
yseguridad de los ocupantes.Para realizar el estudio estructural
del jaulade seguridad, es necesario establecer lascondiciones de
carga a las que estarásometido la jaula de seguridad, partiendoque
el reglamento de la FEDAK no
menciona ninguna carga para el estudioestructural de la misma,
se consideró la aaplicación de una carga puntual de 5000Newton, la
misma que corresponde a 1,25(se toma en cuenta el peso del vehículo
yun 25% más del peso de la jaula) veces elpeso del vehículo (8750
N) dividido parados (se divide para dos porque se cuentacon dos
arcos centrales en la jaula deseguridad).Una vez obtenido el factor
de seguridad dela jaula, el mismo que es de un valor quecorresponde
a 1,22, el mismo que se lo
considera adecuado para las condicionesdel sistema, validándose
de esta manera eldiseño de la jaula de seguridad.
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Figura 3: Factor de seguridad de la jaulade seguridad
Fuente: Ribadeneira A, Tovar M.
IV. DISEÑO DE LA TORRETA DE
CAMBIO DE MARCHAS
Para el diseño y dimensionamiento de latorreta de cambios hay
que considerar lossiguientes parámetros:
En el diseño del sistema se debeconsiderar el espacio
necesario y
disponible en el interior delvehículo para los componentes
queintegrarán el sistema.
Debe considerarse la facilidad deacceso para el
mantenimiento delos elementos del sistema.
El sistema no debe interferir conlos movimientos del
piloto.
Los elementos integrantes delsistema deben ser en lo
posibleestandarizados
En virtud de las consideraciones de
diseño y los requerimientos técnicos, seconsidera proyectar el
diseño del sistemade torreta que estará integrado por lossiguientes
elementos:
Palanca de cambio.
Soporte de la torreta.
Horquilla
Uniball
Junta universal
Acople a la caja de cambios.
Figura 4: Geometría de la torreta decambio de marchas.
Fuente: Ribadeneira A, Tovar M.
V. ANA LISIS DE LA TORRETA
DE CAMBIO DE MARCHAS.
Para el tema de fiabilidad, realizamos elestudio estructural
para el análisis decargas, basándonos en dos elementos queson los
que más cargas van a soportar,primero se realizó el estudio en la
palancade cambios, en el cual se utilizó un aceroestructural A36
con esfuerzo ultimo a latracción de 250 MPa, obteniendo un factorde
seguridad de 5,06, valor que se loconsidera óptimo para las
condiciones defuncionamiento del sistema.
Figura 5: Factor de seguridad de la
palanca de cambio de marchas.
Fuente: Ribadeneira A, Tovar M.
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El otro elemento sometido al estudio decargas es la base de la
torreta, con unmaterial de aleación de aluminio 6063 conuna
resistencia mínima a la tracción de 280MPa, la misma que después
del estudionos dio un factor de seguridad de 8,29
valor que se lo considero óptimo para paralas condiciones de
funcionamiento delsistema.
Figura 6: Factor de seguridad deluniball.
Fuente: Ribadeneira A, Tovar M.
Obtenidos estos dos valores de factores deseguridad se valida el
diseño y se cuentacon una excelente fiabilidad por parte deeste
sistema.
En la parte de la ergonomía para laconducción del piloto, el
sistema de torretade marchas presenta una reducción en ladistancia
de cambio de marchas y a su vezse encuentra situada cerca del
volantedando así un mejor confort y ergonomíapara la conducción del
piloto.
Figura 7: Torreta de cambio demarchas.
Fuente: Ribadeneira A, Tovar M.
VI. DISEÑO DEL SISTEMA DE
EXTINTOR CENTRALIZADO .
La configuración dimensional y geométricadel sistema está
desarrollada en funciónde: el espacio disponible dentro
delvehículo, la ergonomía del piloto, laubicación de los asientos
del piloto y delcopiloto, la ubicación de las boquillas dedescarga
para el motor y el tanque de
gasolina.
Considerando las características anterioresy los requerimientos
de la Norma FEDAKla ubicación del extintor estará en la
parteposterior del asiento del piloto colocada deforma
horizontal
Figura 8: Geometría del sistema deextintor centralizado.
Fuente: Ribadeneira A, Tovar M.
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VII. ANÁL ISIS DEL SISTEMA DEEXTINTOR CENTRALIZADO .
El extintor usado para este proyecto es de
2kg, está instalado de tal manera que tienerepartidores de
cañería hacia el piloto,copiloto, tanque de gasolina y dos hacia
elmotor, brindando un máximo alcance entodo el vehículo en
situaciones de incendio.
Es accionado de tal manera que el pilotoacciona el mismo sentado
en el asiento conlos cinturones de seguridad puestos yajustados,
mediante el accionamiento deuna palanca que está conectada el
extintormediante un cable de freno de bicicleta.
La palanca para accionar el sistema deextintor centralizado está
debidamentemarcada como dicta el reglamento, elmismo que dice que
deberá estar con unaletra E de color rojo sobre un círculo blancoy
una flecha que indique su ubicación.
En la prueba de funcionamiento delsistema de extintor
centralizado se pudoobservar que el sistema está biendistribuido
hacia las partes másimportantes del vehículo, el tiempo
defuncionamiento del mismo es en un rango
de 5 a 10 segundos.
El tipo de extintor utilizado en el sistema esde para fuegos
ABC, que se emplean paramaterias solidas (plásticos o
sintéticos),liquidas (gasolina, aceite, pintura,
líquidosinflamables) y gaseosas (gases decombustibles), siendo este
el apropiadopara este tipo de uso en un vehículo
decompetencias.
Figura 9: Prueba del sistema de extintorcentralizado.
Fuente: Ribadeneira A, Tovar M.
VIII. DISEÑO DEL FRENO DEMANO HIDRÁULICO.
El sistema del freno de mano está pensadopara aumentar la
efectividad y sensibilidaden el frenado del vehículo ante
situacionesde peligro que se pueden presentar en elmanejo y como
ayuda en la conducción del
vehículo al permitir el bloqueo de lasruedas posteriores y tomar
las curvas demanera correcta.
Como elemento que permite llevar lapresión generada por la bomba
a losdiferentes receptores, se utilizaran cañeríasque se
caracterizan por que pueden sertuberías rígidas y metálicas, que
seconvierten en flexibles cuando pasan delbastidor a los elementos
receptores depresión.
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Figura 10: Geometría del freno de manoHidráulico.
Fuente: Ribadeneira A, Tovar M.
IX. ANÁL ISIS DEL FRENO DEMANO HIDRÁULICO.
El reglamento dicta que se puedereemplazar el freno de mano
original poruno hidráulico, que deberá estar ubicadoen el túnel
central, en nuestro proyecto elsistema de freno hidráulico que se
diseñóestá ubicado en el túnel central, dondeanteriormente estaba
el freno de manooriginal.Este sistema de freno hidráulico,
brindauna respuesta inmediata al momento de laactivación manual y a
su vez su diseña esde gran confort y ergonomía para suactivación
por parte del piloto en posiciónde conducción.En las pruebas
realizadas a este sistema,se observó un gran funcionamiento de
estesistema aportando para una mejorconducción y mejorando los
tiempos deactivación en relación al sistema original.
Figura 11: Freno de Mano Hidraulico.
Fuente: Ribadeneira A, Tovar M.
X. CONCLUSIONES.
• Se diseñó los sistemas de seguridadcomo son la jaula de
seguridad, sistema deextintor centralizado, para un vehículo
decompetencias, todo este diseño se basó en
el reglamento de la Federación Ecuatorianade automovilismo y
Kartismo FEDAK quees la delegada de la FederaciónInternacional de
Automovilismo en elEcuador. Se incluyó algunos otros ítems dediseño
como son torreta de cambio demarchas y freno de mano
hidráulico.
• Con este diseño se pudo escoger losmateriales adecuados, la
geometría másviable para la construcción de todos lossistemas del
vehículo.
• Se investigó en fuentes bibliográficasespecializadas los ítems
quenecesitábamos para basarnos en el diseñoe implementación para la
homologación denuestro vehículo.
• Se obtuvo un valor que corresponde a1,22 valores que se lo
considera adecuadopara las condiciones del sistema,validándose de
esta manera el diseño de la
jaula de seguridad.
• El diseño y construcción del sistema detorreta para el cambio
de marchas, que
involucro varios factores de diseño,utilizando como material el
aceroestructural A36 para la palanca de cambiode marchas.
• Se obtuvo un valor de factor de seguridadde 5,06 que se
considera óptimo para eldiseño, validando el diseño de la palanca
dcambio de marchas.
• Se utilizó un material de aluminio aleado6063, en el estudio
de la base de la torreta,el resultado obtenido de factor de
seguridad es de 8,29, valor que seconsidera óptimo para validar
este diseño.
• Otro factor importante en este proyectofue la implementación
del sistema deextintor centralizado o anti fuego, el mismose lo
desarrollo de la mejor maneradándonos buenos resultados en
laspruebas, se pudo constatar que el sistemade extintor
centralizado funciono de unabuena manera, con varios desfogues
quese encuentran en partes claves delvehículo como al tanque de
gasolina, al
habitáculo del vehículo tanto para el pilotocomo para el
copiloto y dos para el motor.
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• Se utilizó un extintor de 2 kilogramospara fuegos tipo ABC que
se emplean paramaterias solidas (plásticos o sintéticos),liquidas
(gasolina, aceite, pintura, líquidosinflamables) y gaseosas (gases
decombustibles), siendo este el apropiado
para este tipo de uso en un vehículo decompetencias. Se concluye
que estesistema es seguro.
• Se diseñó y construyó sistema de frenode mano hidráulico
para mejorar laconducción y ergonomía del piloto en loque
corresponde a curvas cerradas, paraeste sistema se tuvo que
realizar una seriede pruebas para determinar cuál era lasmás
efectiva de todas y se basó en elreglamento de la FEDAK para
determinarsu posición y además saber si es permitido,
mediante este diseño se pudo implementareste sistema de una
manera eficienteergonómica y segura. Este sistemaresponde
inmediatamente a su activación,mejorando el manejo y acortando el
tiempode activación comparado con el sistemaoriginal.
• Se implementó un ducto de ventilaciónpara el habitáculo del
vehículo con lafinalidad de equilibrar la temperatura de
losocupantes del vehículo, el mismo que está
ubicado en el techo del vehículo.
• Se instaló un sistema deintercomunicación entre el piloto y
copilotopara poder comunicarse en lascompetencias y que el copiloto
dicte la hojade ruta al piloto.
• Por último se implementó una serie depequeños ítems que se
tenía en elreglamento de la FEDAK, se instalócinturones de
seguridad para Piloto yCopiloto de 4 puntos de anclaje tipo arnés
yHomologados. Se instaló un gancho decolor amarillo en el parte
delantera yposterior. Se instaló asientos para Piloto yCopiloto, de
una sola pieza, Homologadosy fijados al piso o en los rieles
originales delvehículo, por 4 pernos de 8 milímetros dediámetro por
cada asiento.
• Se asisló todos los dispositivos comobombas de gasolina,
filtros de gasolina quese encontraban en el habitáculo del
piloto.
• Se instaló seguro de pasador metálico enel capot del
vehículo.
• Con todas estas implementaciones, seprocedió a la
participación en una
competencia de rally y a su vez a lahomologación directa del
vehículo paraparticipar en cualquier competencia de rallyen el
Ecuador sin tener ningún problema,con esto queda concluido este
proyecto yse pudo comprobar la hipótesis de que se
pudo homologar el vehículo y participar enuna competencia de
rally.
XI. RECOMENDACIONES.
Especificar una carga puntual en elreglamento de la FEDAK
para futurosestudios de simulación de cargas en la
jaula de seguridad.
Incorporar más lugares de descargaen el sistema de
extintor centralizado.
En el sistema de extintor centralizadose recomienda otra
palanca deaccionamiento que puede está afueradel vehículo en caso
de que losocupantes del mismo no puedanactivar el sistema por algún
accidentegrave.
Utilizar otro software de diseño para laelaboración de
este tipo de proyectos,como AUTO CAD, SOLID WORKS.
Diseñar el sistema de la torreta de
cambio de marchas por cable. Realizar este proyecto en
otra marca
de vehículo con diferente geometríadel habitáculo.
XII. LINKOGRAFÍA.
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de
http://www.acelerando.com.ec/dep
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de-circuitos-fedak-2015
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Obtenido de
http://es.wikipedia.org/wiki/Rally
Romeva, C. R. (2002). Diseño
Concurrente. Ediciones UPC.
XIII. B IOGRAFÍA.
Fabián Salazar ,nació en Latacunga,Ecuador, esIngeniero
Automotriz,Ingeniero Industrial,posee estudios
en Administración deEmpresas, Gerencia
de Marketing, Especialista enProyectos, Diseño Curricular.
EnergíasRenovables y Magister en Dirección deEmpresas y Gestión de
Energía.
Docente en la Universidad de lasFuerzas Armadas ESPE desde
1997.
Félix Manjarrés, nacióen Guayaquil – Ecuador,
Tecnólogoen Mecánica de
Aviación, Ingeniero Automotriz e IngenieroIndustrial,
Egresado enla Escuela PolitécnicaNacional del Ecuador,
en el programa de Diseño, Producción y Automatización
industrial. Docente tiempoparcial en la Universidad de las
Fuerzas
Armadas ESPE en la ciudad de Latacungadesde el 2010.
Consultor de proyectos enel área de Ingeniería Industrial y
Mecánica.
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Esteban AndrésRibadeneira Tovar ,
nació en Latacunga,Ecuador. Es Ingeniero
Automotriz, presta susservicios profesionales
como asesor enmecánica automotriz.
Mar io Ale jandroTovar Jurado, nacióen Quito, Ecuador.Es
Ingeniero Automotriz, prestasus servicios
profesionales comoasesor comercial enDITECA- KOMATSU
S.A.
