INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMAN SEMINARIO DE TITULACION: “MODELADO, ANÁLISIS Y MANUFACTURA DE ELEMENTOS MECÁNICOS” T E S I N A “MODELADO Y ANÁLISIS DE UN RIN DE MOTOCICLETA DUCATI MONSTER 696” PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN AERONAUTICA ASESORES: ING. JUAN CARLOS TORRES AVILA ING. FERNANDO VAZQUEZ PANIAGUA PRESENTA: BAUTISTA VARGAS MARIO DANIEL CRUZ MARQUEZ CHRISTIAN ALEJANDRO MEXICO D.F. OCTUBRE DE 2013
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL TICOMAN
SEMINARIO DE TITULACION:
“MODELADO, ANÁLISIS Y MANUFACTURA DE ELEMENTOS MECÁNICOS”
T E S I N A
“MODELADO Y ANÁLISIS DE UN RIN DE MOTOCICLETA
DUCATI MONSTER 696”
PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO EN AERONAUTICA
ASESORES:
ING. JUAN CARLOS TORRES AVILA
ING. FERNANDO VAZQUEZ PANIAGUA
PRESENTA:
BAUTISTA VARGAS MARIO DANIEL
CRUZ MARQUEZ CHRISTIAN ALEJANDRO
MEXICO D.F. OCTUBRE DE 2013
1
ÍNDICE
GLOSARIO DE ACRÓNIMOS 3
LISTA DE TABLAS Y FIGURAS 4
INTRODUCCIÓN 6
JUSTIFICACIÓN 8
ANTECEDENTES 9
OBJETIVO GENERAL 10
OBJETIVO ESPECÍFICO 11
ALCANCE 12
METODOLOGÍA 13
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO 14
1.1 Ruedas y Neumáticos 14
1.1.1 La Rueda 14
1.1.2 Rin 16
1.1.3. El Neumático
1.1.4 Tipos de neumáticos
17
19
2
CAPÍTULO II.- DISEÑO Y MODELADO 22
2.1 Uso del módulo “Mechanical Design” 24
2.2 Uso del módulo “Generative Shape Design” 25
2.3 Uso del módulo “Drafting” 27
CAPÍTULO III.- ANÁLISIS
3.1 Análisis por medio de elemento finito
3.1.1 Cálculo de la velocidad angular
30
30
34
CAPÍTULO IV.- RESULTADOS 37
CAPÍTULO V.- CONCLUSIONES 38
REFERENCIAS 39
ANEXOS 40
3
GLOSARIO DE ACRÓNIMOS
CAD ((Computer-aided design) Diseño asistido por computadora)
CAE ((Computer-aided Engineering) Ingeniería Asistida por Computadora)
CAM ((Computer-aided Manufacturing) Manufactura Asistida Por Computadora)
CATIA ((Computer-Aided Three Dimensional Interactive Application) Software de Diséño)
ANSYS (Software de análisis por medio de elemento finito)
aC (antes de Cristo)
ISO (International Standard Organization)
FDIS (Final Draft International Standard)
Fuerza (Definida en términos de la habilidad de un objeto de cambiar su estado de reposo o
El diseño de ingeniería, comprende las actividades de diseño, invención y creatividad entre
muchas otra.
La palabra “diseño” se deriva del latín designare, que significa “diseñar” o “marcar” . De
acuerdo al diccionario Webster proporciona múltiples definiciones, la más adecuada para
nuestra área de estudio e investigación es la siguiente: “bosquejar, graficar o planificar, como
acción o trabajo… concebir, inventar-idear”. El diseño de ingeniería se ha definido como “el
proceso de aplicar las diversas técnicas y principios científicos con el propósito de definir un
dispositivo, un proceso o un sistema con suficientes detalles que permitan su realización.
El diseño puede ser simple o muy complejo, fácil o difícil, matemático o no matemático;
puede implicar un problema trivial o uno de gran importancia”. El diseño es un constituyente
universal de la práctica de ingeniería. No obstante, la complejidad de la materia por lo
general requiere que el estudiante así como el ingeniero en práctica disponga de un conjunto
de problemas estructurados; paso a paso ideados para esclarecer un concepto o conceptos
particulares relacionados con el tema en particular.
El ingeniero de diseño, en la práctica, sin importar la disciplina, continuamente enfrenta el
reto de estructurar problemas no estructurados.
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Las siguientes figuras y tablas fueron consideradas para el diseño del rin mencionado.
Figura 7.- Asiento cilíndrico del neumático en el rin.- De acuerdo a la ISO/FDIS 4249-
3:2010(E) este es un tipo de asiento que se utiliza actualmente en el diseño de rines de
motocicletas.
Tabla 1 Dimensiones de los asientos cilíndricos de la llanta del rin de acuerdo a la ISO/FDIS
4249-3:2010(E).
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Tabla 2 Códigos del diámetro nominal del rin de una motocicleta de acuerdo a la ISO/FDIS
4249-3:2010(E).
El rin frontal de la motocicleta monster 696 modelo 2010 fue diseñando a partir del diámetro
inicial del fabricante que es 17” = 431.8 mm y de ancho de la llanta (width) 3.5”=88.9mm así
mismo se fueron tomando las medidas en cuanto a la norma la ISO/FDIS 4249-3:2010(E)
para el asiento del rin.
Cabe mencionar que en este modelado se ocuparon los módulos “Mechanical Design” , “Part
Design”, para crear el rin en lo que concierne a la sección transversal de este, o bien lo que
tiene por nombre: asiento del rin y su contorno; para este diseño se tomó en cuenta la tabla 1
del asiento cilíndrico así como la (fig7), se utilizo el modulo “Generative Shape Design” para
el diseño de los brazos ya que es una geometría con un tipo de perfil, el cual se diseño de
acuerdo a la estética de la motocicleta, procediendo a analizarlo para evaluar su desempeño
y por último se utilizó el modulo de “Drafting” para generar los planos del rin.
2.1 Uso del módulo “Mechanical Design”
Este modulo fue de gran utilidad para obtener el contorno del rin, procediendo a sacar las
superficies en las caras del asiento y continuar con el módulo de “Generative Shape Design”
tomándolo de referencia para la creación de los brazos del rin.
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Figura 8.modelado del arillo del rin
2.2 Uso del módulo “Generative Shape Design”
Este modulo nos ayuda a generar las superficies alrededor del perfil de los brazos para
proceder a cerrar la superficie y crear así el sólido para posteriormente juntar todos los
sólidos mediante operaciones booleanas.
Figura 9. Modelado del rayo del rin
26
En la siguiente figura se puede observar el uso del modulo de “Geometrical Shape Design” y
“Part Design” para obtener geometrias complejas y ensamblar otras geometrias variables.
Figura 10. Modelado del rayos y maza.
Finalmente, obtenemos el rin completo mediante las operaciones booleanas y aplicandole
propiedades de material del aluminio con los parametros definidos por CATIA, que
posteriormente se cambiará en ANSYS para su correcto análisis.
Figura 11. Modelado del rin terminado y con material aplicado.
27
2.3 Uso del módulo de “Drafting”
Útil para generar los respectivos planos del rin. Como se puede observar en los siguientes
planos se respetaron las medidas sugeridas por la ISO a excepción del diámetro del rin que
es propuesto por el fabricante.
Figura 12. Vistas del rin.
28
Figura 13. Hoja de diseño de rin.
29
Figura 14. Detalle del rin.
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CAPÍTULO III.- ANÁLISIS
3.1 Por medio de elemento finito
Todo rin automotriz, sea de acero o de aleación, tiene parámetros de resistencia debido a las cargas que soporta. Éste tiene que absorber fuerzas verticales, laterales y longitudinales, trasmitiéndolas al cubo de rueda a través de los birlos de apriete, por lo que juega un papel fundamental en la seguridad del usuario. En el análisis experimental se utiliza la aleación AlSi7Mg, la cual es obtenida mediante un proceso de fundición y generalmente está acompañada de un tratamiento térmico para adquirir propiedades específicas. Las principales aplicaciones de esta aleación son: rines, carcazas de bombas y de transmisiones, bloques cilíndricos de enfriamiento por agua, instalaciones de energía nuclear entre otras, donde se requieran buenas características de fundición, soldabilidad, alta resistencia a la corrosión y al esfuerzo [1]. Las propiedades mecánicas de la aleación AlSi7Mg se presentan en la Tabla 1, y la curva de fatiga en la figura 2. Tabla 3. Propiedades Mecánicas de la aleación AlSi7Mg.
Propiedad Valor Unidad
Modulo de Young 72.5 GPa
Relación de Poisson 0.33 -------
Esfuerzo de cedencia 190 MPa
Resistencia a la ultima tensión 240 MPa
Densidad 2686 KG/m3
El análisis numérico se realizo gracias al modelado del rin en CATIA V5R21 y ANSYS
Workbench 14.0.
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Figura15. Rin modelado en CATIA.
Después de tener modelado el rin de la motocicleta Ducati Monster 696 se exporta a ANSYS
Workbench en el cual nos muestra una ventana como la siguiente:
Figura 16.Interfaz del módulo de Workbench (Module Static Structural).
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Una vez teniendo la geometría en Workbench (Figura 17), se agregan las propiedades del
material en la opción de Engineering Data, Figura18.
Figura 17. Rin modelado exportado al programa de elemento finito ANSYS workbench.
Figura18. Interfaz del Modulo Workbench Static Structural.
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A continuación se malla el rin para poder realizar el análisis, quedando 23926 Nodos y 13342
elementos, Figura 19.
Figura 19. Rin con malla refinada.
Después de mallarlo se pasa a realizar la restricción de grados de libertad, los cuales se
harán en los barrenos de los birlos.
Figura 20. Modelo restringido de los orificios de los birlos.
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Para el análisis se aplicará una velocidad angular y una presión de 20 psi (Figura 21), ya que
será un análisis estático solo se tomara en cuenta la presión ejercida por el neumático y el
aire, así como la velocidad angular a la que gira cuando corre la motocicleta a 200 Km/h.
3.1.1 Cálculo de la velocidad angular
Suponiendo que la motocicleta circula a 200 km/h
200 Km/h=55.55m/s
Radio del rin =21.59 cm
P=2rπ=1.3565m
# Vueltas=d/P=15.91
V (rad/s)=2π*# Vueltas= 99.96rad/s≈100 rad/s
Figura 21.Superficies en las que se aplica la presión.
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Figura 21. Aplicación de velocidad angular.
Los esfuerzos y deformaciones primeramente se calculan por ANSYS, donde se utiliza la teoría de Von Mises. Los resultados obtenidos arrojaron un esfuerzo máximo de 2.5853 MPa. además de permitir apreciar las zonas más débiles de la estructura, como se muestra en la figura 22.
Figura 22.Representación gráfica de los esfuerzos.
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Por otra parte, el desplazamiento máximo presentado por ANSYS, es de 0.0099 mm (figura 22). En esta figura 23, se observa a la zona de mayor desplazamiento del material, se encuentra en el lado opuesto a la zona donde el rin está sujeto a mayor esfuerzo. Los desplazamientos que se presentan en el área donde se encuentran los esfuerzos máximos son de alrededor de 0.0032 mm. (Figura 23).
Figura 23. Representación gráfica de las deformaciones
Tabla 3. Esfuerzo máximo y deformación máxima.
ESFUERZO DEFORMACIÓN
Esfuerzo Máximo 2.58106 Pa 0.0032 mm
Deformación Máxima 220.52 Pa 0.0099 mm
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CAPÍTULO IV.- RESULTADOS
Después del análisis, podemos demostrar que nuestro diseño del rin se encuentra dentro de
los límites aceptables de acuerdo con la resistencia del material. Para el análisis estático que
se realizó, en el cual, solo se aplicó la presión ejercida por el aire dentro del neumático y la
velocidad angular.
Se deja, para futuros ingenieros el análisis dinámico, numérico y experimental de este rin y
comprobar los resultados obtenidos ya que no se cuenta con información para poder llevar a
cabo la validación del análisis.
Figura 24. Zonas donde se ve la deformación máxima y esfuerzo máxima.
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CAPÍTULO V.-CONCLUSIONES
Como se puede observar se desarrolló la solución al problema del diseño del rin de una
motocicleta, en nuestro caso particular el de una motocicleta Monster 696 modelo 2010, para
el rin frontal, mediante el uso de normas regidas por la ISO haciendo referencia a los rines de
motocicleta; se puede observar la resistencia estructural del rin, que presenta al aplicarle
diferentes cargas en modo estático.
Así mismo se puede comprobar la utilidad del uso de herramientas digitales de diseño y
análisis, que en este caso particular fueron: CATIA para el diseño de 3D y 2D, y ANSYS para
el análisis estructural mediante el elemento finito; estas herramientas presentadas en este
trabajo son actualmente consideradas, de vital importancia en los diseños actuales de
diversas industrias como la: aeroespacial, automotriz, eléctrica, por mencionar solo algunas.
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REFERENCIAS
Motorcycle Handling and Chassis Design the art and science, Tony Foale 2a edicion
The Automotive Chassis Volume 1: Components Design, Giancarlo Genta , Lorenzo Morello;
Ed Springer
Motorcycle Design and Technology Handbook Gaetano-Coccoe
Manual de uso y mantenimiento Monster 696 2010
Requirements for Motorcycle Manufacturers NHTSA
Análisis numérico experimental de un rin de aleación AlSi7Mg
THE STABILITY AND CONTROL OF MOTORCYCLES
[1] Kwai S. Chan, Peggy Jones, Qlgui Wang , «Fatigue crack growth and fracture paths in sand cast B319 and A356 aluminum alloys». Materials Science and Engineering A341 (2003) 18-34.
