Diseño mecánico del sistema de dirección para un vehículo de competencia para Shell eco Marathon en Lima, Perú

Abstract

Actualmente, en el Perú se realizan modificaciones estructurales de manera artesanal sin ninguna base ingenieril a vehículos livianos. Sistemas como la suspensión y dirección son comúnmente modificadas de la misma manera por lo cual se obtienen vehículos inseguros resultando en un potencial accidente mortal. Por otro lado, en la competencia de autos, además de la integridad estructural, la masa del vehículo prima en todo diseño y es dicho factor primará en el diseño del sistema de dirección para la competencia Shell eco-Marathon. En la tesis se realizó el diseño mecánico de un sistema de dirección liviano para el auto para la competencia de Shell Eco Marathon. Para ello se propusieron y analizaron diversos sistemas de dirección para poder así seleccionar el tipo de mecanismo ideal para el vehículo el cual consistió en un sistema de dirección de tipo bieletas utilizado comúnmente en los “karts”. Luego, se seleccionaron los accesorios del sistema con lo que se obtuvo una primera iteración del diseño final. Seguidamente, se realizó una parametrización mediante ANSYS para obtener las dimensiones mínimas de la mangueta de dirección y el conector principal de dirección con lo que se logró obtener componentes de baja masa, pero de gran resistencia estructural. Así mismo, mediante la simulación estructural mediante ANSYS se obtuvo un factor de seguridad de 4.5 en el elemento más crítico lo cual garantiza la resistencia estructural. Además, la fuerza máxima de accionamiento es de 32N con lo que se logró minimizar el desgaste muscular prematuro del piloto. Finalmente, se realizó una optimización topológica de la mangueta y del conector principal con lo que se redujo en un 40% cada elemento. Finalmente, se obtuvo un sistema dirección de 812g, aproximadamente. Esto, basado en data real de un equipo top de América, se espera obtener un ahorro de combustible de 10MPG.

Weight mass reduction is the key of Race cars; thus this thesis is based on the weight efficiency and ergonomic design of the competition vehicle for the Shell ecoMarathon that will take place in 2021. In order to achieve the main objective of weight reduction and ergonomic design, parameters like Camber, Caster, King pin, and Ackermann geometry were analysed and proposed. Moreover, best teams steering system design has a total average weight of 3kg, while, the final steering design of this thesis is, roughly, 1kg. Furthermore, the maximum force to be applied is 32N that warranty less wear on the human muscles on a push-pull movement. Finally, a structural analysis was made with ANSYS obtaining a maximum equivalent stress of 180MPa at the maximum load of 235N equally to the force that an average person of 80kg can perform.