Desarrollo de chasis y carrocería de un vehículo eléctrico para recolección de cacao

El presente trabajo evidencia el proceso entero del proyecto “Desarrollo de chasis y carrocería de un vehículo eléctrico de recolección de cacao”. Este proyecto es una continuación del proyecto ZAMIA desarrollado por el tecnoparque sede Bucaramanga. El proyecto se dividió en tres partes que son la o...

Full description

Autores:: Forero Carrillo, Martha Patricia

Tipo de recurso:: Trabajo de grado de pregrado

Fecha de publicación:: 2021

Institución:: Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB

Repositorio:: Repositorio UNAB

Idioma:: spa

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description	El presente trabajo evidencia el proceso entero del proyecto “Desarrollo de chasis y carrocería de un vehículo eléctrico de recolección de cacao”. Este proyecto es una continuación del proyecto ZAMIA desarrollado por el tecnoparque sede Bucaramanga. El proyecto se dividió en tres partes que son la optimización del diseño del chasis y la carrocería, construcción y validación de estos últimos y finalmente la optimización y análisis aerodinámico del vehículo entero. Para la optimización de diseño se realizó un análisis topológico en COMSOL multiphysics del chasis asumiéndolo como una placa maciza y se obtuvieron las zonas que deben ser descartadas de la geometría. Posteriormente con el nuevo chasis se realizaron cálculos de flexión asumiéndolo como una viga sencilla y simulaciones de elementos finitos que incluyen: flexión, análisis torsional, impacto frontal, impacto lateral, impacto de volcadura y análisis modal. Con estas simulaciones se realizó una comparativa determinando las mejoras respecto al anterior chasis usando como referencia la deformación y el esfuerzo máximo en la pieza. Un proceso simular fue ejecutado en el caso de la carrocería, pero con la diferencia de que no se realizó un análisis topológico sino se hicieron modificaciones basadas en criterios de diseño mecánico tales como reducir la longitud de tubería sin apoyo. Usando el mismo esquema de simulaciones se pudo determinar nuevamente una mejoría en la carrocería. Con los diseños presentando mejoras en sus características se procedió con la construcción del chasis y la carrocería usando métodos de manufactura tradicional. Finalizado el proceso de construcción se procedió a realizar validaciones experimentales de la resistencia de los componentes. Esta validación se llevó a cabo usando de referencia las simulaciones de análisis torsional y el análisis modal. Para la validación experimental se usaron comparadores de carátula para medir deformación se obtuvo una diferencia de los resultados menores al 10% a favor del prototipo físico, y para el caso de las frecuencias propias los valores tuvieron un margen de entre el 8% más altas que en las simulaciones. La etapa final es la optimización de la aerodinámica donde después de suavizar ángulos muy pronunciados en los recubrimientos del vehículo y se eliminaron componentes donde se puedan presentar vorticidades. Subsecuentemente, se realizó una simulación de túnel de viento comparando los dos modelos de vehículo obteniendo una mejora considerable en el coeficiente de arrastre. Después de realizar todo el proceso se determinó que el vehículo tenía varios aspectos que podían mejorar el rendimiento de este tanto en peso como en resistencia.
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Para la optimización de diseño se realizó un análisis topológico en COMSOL multiphysics del chasis asumiéndolo como una placa maciza y se obtuvieron las zonas que deben ser descartadas de la geometría. Posteriormente con el nuevo chasis se realizaron cálculos de flexión asumiéndolo como una viga sencilla y simulaciones de elementos finitos que incluyen: flexión, análisis torsional, impacto frontal, impacto lateral, impacto de volcadura y análisis modal. Con estas simulaciones se realizó una comparativa determinando las mejoras respecto al anterior chasis usando como referencia la deformación y el esfuerzo máximo en la pieza. Un proceso simular fue ejecutado en el caso de la carrocería, pero con la diferencia de que no se realizó un análisis topológico sino se hicieron modificaciones basadas en criterios de diseño mecánico tales como reducir la longitud de tubería sin apoyo. Usando el mismo esquema de simulaciones se pudo determinar nuevamente una mejoría en la carrocería. Con los diseños presentando mejoras en sus características se procedió con la construcción del chasis y la carrocería usando métodos de manufactura tradicional. Finalizado el proceso de construcción se procedió a realizar validaciones experimentales de la resistencia de los componentes. Esta validación se llevó a cabo usando de referencia las simulaciones de análisis torsional y el análisis modal. Para la validación experimental se usaron comparadores de carátula para medir deformación se obtuvo una diferencia de los resultados menores al 10% a favor del prototipo físico, y para el caso de las frecuencias propias los valores tuvieron un margen de entre el 8% más altas que en las simulaciones. La etapa final es la optimización de la aerodinámica donde después de suavizar ángulos muy pronunciados en los recubrimientos del vehículo y se eliminaron componentes donde se puedan presentar vorticidades. Subsecuentemente, se realizó una simulación de túnel de viento comparando los dos modelos de vehículo obteniendo una mejora considerable en el coeficiente de arrastre. Después de realizar todo el proceso se determinó que el vehículo tenía varios aspectos que podían mejorar el rendimiento de este tanto en peso como en resistencia.INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 13 1. OBJETIVOS ................................................................................................................ 14 1.1 Objetivo General .................................................................................................. 14 1.2 Objetivos específicos ........................................................................................... 14 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN .................................. 15 2.1 Definición del Problema ...................................................................................... 15 2.2 Justificación.......................................................................................................... 16 3. ANTECEDENTES ....................................................................................................... 18 4. ESTADO DEL ARTE .................................................................................................. 20 5. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 26 5.1 La tecnología y la industria automotriz ................................................................ 27 5.2 Fuerzas que actúan en el vehículo ........................................................................ 29 5.2.1 Flexión ................................................................................................................. 29 5.2.2 Torsión ................................................................................................................. 30 5.2.3 Flexión y torsión .................................................................................................. 31 5.2.4 Carga lateral ......................................................................................................... 31 5.2.5 Carga delantera y trasera ...................................................................................... 32 5.2.6 Esfuerzo................................................................................................................ 32 5.2.7 Rigidez torsional .................................................................................................. 32 5.2.8 Rigidez a la flexión .............................................................................................. 33 5.3 Análisis de las estructuras de carrocería .............................................................. 35 5.3.1 Requisitos estructurales ........................................................................................ 35 5.4 Métodos de análisis .............................................................................................. 35 5.4.1 Análisis de flexión simple .................................................................................... 35 5.5 Impactos Vehiculares ........................................................................................... 37 5.6 Impacto Frontal .................................................................................................... 37 5.7 Impacto Lateral .................................................................................................... 37 5.8 Impacto de Volcadura .......................................................................................... 37 5.9 Fuerzas Aerodinámicas ........................................................................................ 38 5.10 Análisis Computacional de Fluidos Dinámicos – CFD ...................................... 39 6. METODOLÓGIA ........................................................................................................ 42 7. CÁLCULOS DE DISEÑO ........................................................................................... 43 7.1 Momento .............................................................................................................. 43 7.2 Momento estático ................................................................................................. 43 7.3 Momento de inercia.............................................................................................. 45 7.4 Resumen de Datos ................................................................................................ 46 7.1 Cálculos Analíticos .............................................................................................. 49 8. SIMULACIÓN ............................................................................................................. 52 8.1 Comparativa de resultados ................................................................................... 59 9. SIMULACIÓN CFD .................................................................................................... 62 10. CONSTRUCCIÓN ................................................................................................... 68 11. VALIDACIÓN ......................................................................................................... 72 11.1 Flexión de Carga Sencilla .................................................................................... 72 11.2 Estudio Torsional ................................................................................................. 74 11.3 Frecuencias Propias .............................................................................................. 74 12. CONCLUSIONES ................................................................................................... 77 13. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO .................................................. 78 14. BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 79 15. APÉNDICE - ANÁLISIS MODAL EXPERIMENTAL ......................................... 82 15.1 Equipos y software utilizados .............................................................................. 82 15.2 Configuración del análisis modal experimental ................................................... 82 15.3 Configuración de adquisición .............................................................................. 82 15.4 Resultados obtenidos ............................................................................................ 83 15.5 Primer modo de flexión longitudinal ................................................................... 84 15.6 Segundo modo de flexión longitudinal ................................................................ 85 15.7 Primer modo de torsión ........................................................................................ 85 15.8 Tercer modo de flexión longitudinal .................................................................... 86 15.9 Segundo modo de torsión ..................................................................................... 86 15.10 Primer modo de flexión transversal ..................................................................... 87 15.11 Cuarto modo de flexión longitudinal ................................................................... 88PregradoThe present work evidence all the process makes it for the project "Development of the chassis and the frame body of an electric vehicle for Cacao harvesting". This project is a continuation of the ZAMIA project developed by Tecnoparque Bucaramanga. The project was divided into three parts: the optimization of the chassis and body design, construction and validation, and finally, the optimization and aerodynamic analysis of the entire vehicle. To optimize the design, a topological analysis of the chassis was carried out in COMSOL multiphysics, assuming that it was a solid plate and the areas that had to be discarded from the geometry were obtained. Then, with the new chassis, bending calculations were performed, assuming it as a simple beam and finite element simulation that includes: bending, torsion analysis, frontal impact, side-impact, rollover, and natural frequencies. With these simulations a comparison was made, determining the improvements to the previous chassis, taking as a reference the deformation and maximum stress in the part. In the case of the frame body, was executed a similar process but with the difference that a topological analysis was not carried out, but modifications were made based on mechanical design criteria such as reducing the length of the pipe without support. Using the same simulation scheme, an improvement in the frame body could be determined again. With the improvement designs, the chassis and frame body were built using traditional manufacturing methods. Once the construction process was finished, experimental validations of the resistance of the components were carried out. This validation was carried out using simulations of torsional analysis and modal analysis. For the experimental validation, was used a dial gauge to measure deformation, a difference of the results of less than 10% was obtained in favor of the physical prototype, and in the case of the natural frequencies, the values had a margin of between 8% higher than in simulations. The final stage is the optimization of the aerodynamics, where the steep angles in the frame body linings were smoothed, and the components where vorticities could occur, are eliminated. Subsequently, a wind tunnel simulation was carried out comparing the models of two vehicles, obtaining a considerable improvement in the drag coefficient. After carrying out the whole process, it was determined that the vehicle had several aspects that could improve its performance both in weight and resistance.application/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaDesarrollo de chasis y carrocería de un vehículo eléctrico para recolección de cacaoDevelopment of the chassis and body of an electric vehicle for cocoa harvestingIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicCadChassisElectric vehicleBodyworkElectric carsFinite methodsAutomobileDesign and constructionMecatrónicaCarros eléctricosMétodos finitosAutomóvilesDiseño y construcciónChasisVehículo eléctricoCarroceríaFEACAD[1] Banco Mundial, «Tierras cultivables en el mundo», Banco Mundial, 2017. https://datos.bancomundial.org/indicator/AG.LND.ARBL.ZS?name_desc=false (accedido ene. 29, 2021).[2] FEDECACAO, «Así quedó el ranking de producción de cacao en Colombia», 2020. http://www.fedecacao.com.co/portal/index.php/es/2015-04-23-20-00-33/1193boletin-de-prensa-asi-quedo-el-ranking-de-produccion-de-cacao-en-colombia (accedido ene. 27, 2021)[3] TecnoParque- SENA, «Presentacion Premio Innovadores Santander». 2017[4] TecnoParque- SENA, «Presentacion Vehículo Utilitario». 2017[5] C. 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Desarrollo de chasis y carrocería de un vehículo eléctrico para recolección de cacao

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