INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN SEMINARIO DE TITULACIÓN: "MODELADO, ANÁLISIS Y MANUFACTURA DE ELEMENTOS MECÁNICOS" TESINA "GUIA DE DISEÑO DE CHASIS CHOPPER" ASESORES DE TESIS LIC. DAVID TORRES ÁVILA ING. ABEL HERNÁNDEZ GUTIERREZ QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN AERONÁUTICA PRESENTA ARMANDO GARCÍA BUCIO

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3 AGRADECIMIENTOS A Dios por las bendiciones que me dio, y haberme puesto en el camino correcto. Al Instituto Politécnico Nacional por haberme dado los conocimientos y las experiencias para enfrentar el mundo. A mis padres por su infinita paciencia, y por creer siempre en mí. A mis abuelos por sus sabios consejos, y su apoyo incondicional. A mis profesores por haberme transmitido sus conocimientos y experiencias. II

4 Índice Glosario de Términos... 5 Glosario de Acrónimos... 6 Lista de tablas y figuras... 7 Resumen... 9 Abstract Introducción Justificación Antecedentes Objetivo general Objetivos específicos Hipótesis Alcance Metodología Descripción de capítulos Capítulo 1-Marco Teórico Historia de la motocicleta Estructura de la motocicleta Chasis Motor Transmisión Ruedas y frenos Tubo de escape Motocicleta Chopper Capítulo II.-Características de las motocicletas Neumáticos Geometría de la motocicleta Lanzamiento Efecto direccional Tacto en línea recta Lanzamiento (inclinación del ángulo de dirección) Caída de la pipa de dirección III

5 2.2.6 Distancia entre ejes Diámetro de las ruedas Rigidez del chasis Peso (masa) y su posición: Equilibrio en línea recta y curva Capítulo III- Procedimiento de diseño Diseño del cuadro Resultados Conclusiones Referencias IV

6 Glosario de Términos Basculante: Dispositivo que permite inclinarse excesivamente hacia algún lado. Cabezal: El cabezal de dirección es la estructura tubular al frente del marco, proporcionando un punto de pivote de la dirección. Chasis: Armazón, bastidor del coche o motocicleta. Custom: Personalización de algo Decalaje: Distanciamiento o falta de concordancia entre dos personas o cosas Manillar: Pieza de los vehículos de dos ruedas encorvada por sus extremos para formar un doble mango en el que se apoyan las manos, y sirve para dirigir la máquina. 5

7 Glosario de Acrónimos 2T: Dos Tiempos 4T: Cuatro Tiempos cc: Centímetros Cúbicos CdG: Centro de Gravedad MCIA: Motor de Combustión Interna Alternativo 6

8 Lista de tablas y figuras Pág. Figura 1: Chasis simple cuna cerrado, Bultaco Metralla 15 Figura 2: Chasis simple cuna abierto, Ducati 24 horas 16 Figura 3: (1973) Chasis simple cuna desdoblado, KTM 250SX (2011) 16 Figura 4: Chasis doble cuna de Triumph (1962) 17 Figura 5: Yamaha FJ 1100, es una variable del chasis multitubular 17 Figura 6: Honda VFR 750, chasis doble viga 18 Figura 7: Suzuki GSX R 750 chasis doble viga 18 Figura 8: Honda NR 500 de chasis monocasco 19 Figura 9: Honda CB 900F, chasis monoviga 19 Figura 10: Motor 4 Tiempos bicilíndrico en V de la marca Ducati, y motor 2 Tiempos Súper Tigre Figura 11: Cadena engranada y piñones y sistema de transmisión por cardán 21 Figura 12: Motocicleta estilo "Chopper", Wide Glide, Harley Davidson 23 Figura 13: Lanzamiento 24 Figura 14: Relación de avance y lanzamiento 24 Figura 15: Relación entre avance trasero y delantero 25 Figura 16: Avance de acuerdo al ángulo de pipa de dirección 27 Figura 17: Avance igual con distintos lanzamientos 27 Figura 18: Lanzamiento cero, y lanzamiento con un ángulo positivo 28 Figura 19: Reducción del avance en suelo, para diferentes valores de lanzamiento según el ángulo de giro de la dirección 29 Figura 20: Llantas sin lanzamiento, y con un lanzamiento normal 29 Figura 21: Inclinación de la rueda respecto al ángulo de lanzamiento 31 Figura 22: Caída del tren delantero de acuerdo al ángulo de giro de la dirección 31 Figura 23: Diferencia de ángulos de giro entre rueda delantera y trasera 32 Figura 24: Desplazamiento de la rueda trasera a diferentes distancias, con respecto a la delantera 32 7

9 Figura 25: Diferencia de huella de contacto con diferentes diámetros 34 Figura 26: (Izquierda): Desplazamiento lateral debido a la flexión de la horquilla y la rueda; (Derecha): El gran brazo de palanca causa elevados momentos flectores en las barras de la horquilla y en la pipa de dirección, lo que puede dar lugar a vibraciones y saltos de rueda 315 Figura 27: Desplazamiento de la rueda trasera, debido a la torsión del chasis 35 Figura 28: Centros de gravedad alto y bajo de la motocicleta 316 Figura 29: Centro de gravedad respecto un ángulo de giro del chasis 37 Figura 30: Fuerza resultante al girar 38 Figura 31: Equilibrio de la motocicleta 39 Figura 32: Carga máxima de neumáticos de diversos diámetros 40 Figura 33: Velocidad máxima que soporta el neumático, y utilización más común 41 8

10 Resumen Las motocicletas tipo "chopper", son muy populares, y cada vez en México son más comunes, debido a su potencia, así como a su estilo agresivo, y a que son relativamente fáciles de modificar. Existen muchas personas, que gustan de "personalizar" sus motocicletas "chopper", a su propio gusto, por lo tanto, existen muchos estilos, desde el chasis, así como los acabados, que cada persona puede darle. También muchas personas construyen desde "cero", su motocicleta "chopper", y aunque existen muchos estilos, todas las motocicletas tienen las mismas geometrías básicas, y es necesario entenderlas para hacer un mejor diseño, que sea no pierda las características de las motocicletas. En el presente trabajo, se presentan las principales geometrías, y un procedimiento sencillo de diseño de un chasis. 9

11 Abstract The motorcycles "chopper" type, are very popular, and in Mexico more common, because its power, and aggressive style, and that they are relatively easy to modify. There are a lot of people who like to "custom" their motorcycles "chopper", to its own liking, therefore, exists many styles, since chassis, so as the finishes, that anyone can give it. Also a lot of people start their motorcycle "chopper", from "zero", and even that exist a lot of styles, all motorcycles have the same basic geometries, and is necessary to understand them, to make a better design, that not loses the characteristics of the motorcycles. In the present work, the principal geometries are shown and a simple procedure of design of a chassis. 10

12 Introducción En el presente trabajo se busca crear un procedimiento que pueda servir como guía para que cualquier persona pueda crear su propio diseño de un chasis de motocicleta tipo chopper. Por lo cual, se busca resolver: Cómo elaborar un procedimiento para diseñar un chasis de motocicleta? Qué es una motocicleta, que elementos las conforman, que es una motocicleta chopper? Qué características posee el chasis de las motocicletas? Cómo realizar el procedimiento de diseñar el chasis de una motocicleta chopper? Justificación Las motocicletas son cada vez más populares, debido a su versatilidad, y estilo únicos, de hecho algunas personas deciden modificarlas, mientras que otras deciden mandar a hacerlas a su gusto, por lo cual las motocicletas a pedido son una nueva tendencia. Antecedentes Las motocicletas tipo "Chopper", son muy populares en muchos países, debido a que son "customizadas" o modificadas por sus dueños, y personalizadas al gusto de cada persona. La marca Harley Davidson, realizó un mega-desfile en honor a su aniversario, en la ciudad de México, en el cual se presentaron en el Distrito Federal más de 5 mil personas con sus motocicletas tipo "Chopper". Objetivo general Determinar las características del chasis de una motocicleta chopper, para crear un procedimiento de diseño del mismo. 11

13 Objetivos específicos Definir el concepto de motocicleta, sus elementos, y características de una motocicleta chopper. Identificar las características de las motocicletas. Determinar un proceso que permita diseñar el chasis de una motocicleta. Hipótesis Si se determinan las características del chasis de una motocicleta, entonces se podrá crear procedimiento para el diseño de cualquier chasis. Alcance Crear un procedimiento que cualquier persona con conocimientos de un programa de diseño, pueda realizar su propio chasis tipo "chopper". Metodología El presente trabajo, es una investigación descriptiva y exploratoria, que busca explicar las cualidades de un chasis de motocicleta. Descripción de capítulos En el Capítulo I se menciona una breve historia del nacimiento y desarrollo de la motocicleta, así como los tipos de chasis de las mismas. Se explica que es una motocicleta, cuáles son sus partes principales, y que es una motocicleta tipo chopper En el Capítulo II se describe la geometría básica de cualquier motocicleta, y como está beneficia a la propia motocicleta. En el Capítulo III se desarrolla un proceso de diseño del chasis de motocicleta tipo chopper, explicando los pasos más importantes. 12

14 Capítulo 1-Marco Teórico 1.1 Historia de la motocicleta La motocicleta es un medio de transporte de dos ruedas, impulsado por un motor de combustión interna alternativo (MCIA). El cuadro y las ruedas constituyen la estructura fundamental del vehículo. La rueda directriz es la delantera, mientras que la rueda motriz es la trasera. Las motocicletas pueden transportar hasta dos personas. La bicicleta fue la base de las primeras motocicletas y ayudó a darle forma a las primeras motocicletas. En 1868, el norteamericano Sylvester Howard Roper se hizo una pregunta: Qué pasaría si a una bicicleta le adapto un motor a vapor? Howard fabricó un motor de dos cilindros, utilizando el carbón como combustible, lo incrustó en el cuadro de una bicicleta y creó lo que hoy se puede denominar como la primer motocicleta. Sin embargo, muchos sugieren que la primer motocicleta real fue inventada por los alemanes Wilhelm Maybach y Gottlieb Daimler, que construyeron en 1885 una motocicleta de cuadro de madera, propulsada por un motor de combustión interna, el cual fue inventado por el ingeniero Nikolaus August Otto. Este motor desarrollaba 0,5 caballos de fuerza y permitía una velocidad de 18 Kilómetros por hora. En 1894 Hildebrand y Wolfmüller presentaron en Múnich la primera motocicleta fabricada en serie. Las motocicletas de Hildebrand y Wolfmüller se mantuvieron en producción hasta En 1897 se tomó en serio a la motocicleta, al aparecer en el mercado la motocicleta de los hermanos Eugene y Michel Werner. Estos dos periodistas de origen ruso montaron un pequeño motor en una bicicleta. Al principio lo colocaron en forma horizontal encima de la rueda trasera, luego delante del manillar, con una correa de cuero que lo unía a la rueda delantera. El éxito no se hizo esperar y ya en 1898 se comenzó a fabricar. En 1902 apareció en Francia el Scooter o ciclomotor con el nombre de Auto sillón. Se trata de una moto unida con un salpicadero de protección, de pequeñas ruedas y con un cuadro abierto que permite al piloto viajar sentado, fue inventado por Georges Gauthier y fabricado en Este tipo de vehículo se desarrolló a partir de 1919 y tuvo un gran éxito con la Vespa italiana, a partir de

15 El Scooter tuvo gran popularidad entre los jóvenes. Desde su creación ha aparecido una gama amplia de estos vehículos baratos, ligeros y de fácil manejo, cuyas características principales son las ruedas pequeñas y el cuadro abierto. En 1910 apareció el sidecar, un carrito con una rueda lateral que se incorpora al costado de la moto (aunque ya había aparecido años antes pero en las bicicletas), que permite transportar un pasajero extra. 1.2 Estructura de la motocicleta Una motocicleta consta de una estructura metálica, llamada chasis, que le da forma y soporte a los diversos elementos que la integran Una de sus mayores características es que cuenta con dos ruedas en línea, que transmiten el movimiento de la misma. Los vehículos de este tipo, generalmente, se impulsan por medio de un motor de gasolina montado entre sus dos ruedas, y disponen de un cambio de tres a cinco velocidades. Conectado al motor existe una transmisión, la cual se encarga de dotar, del movimiento del motor, de fuerza motriz a las ruedas a las ruedas. Existen diversos tipos de motocicletas que varían en función de su diseño y utilización Chasis El chasis es el cuerpo de la motocicleta, en donde se conectan el motor, la dirección, y donde se sienta el piloto. Su estructura de manera general, consta de una zona de anclaje de la suspensión delantera. Existe otro punto de anclaje, que es el eje del basculante, que debe combinarse con un soporte de amortiguación trasera. Como son zonas, que deben soportar altos esfuerzos, deben tener una alta rigidez. En el chasis, las piezas unidas están perfectamente fijas, a excepción de las suspensiones y las piezas unidas a las mismas, por lo cual el chasis posee características estructurales bien definidas que además influyen en el comportamiento de la motocicleta. 14

16 Se pueden destacar dos grupos de chasis, los que son para ciclomotores y los de motocicletas, de mayor cilindrada. El diseño del chasis depende del uso que se le vaya a dar a la motocicleta, es decir, si va a ser de campo, carretera o ciudad y el motor que vaya a incorporar (nº de cilindros, disposición). Para ello, además de la geometría del chasis, se tienen en cuenta criterios como la rigidez y la ligereza del chasis. El cabezal de dirección y la zona del anclaje del basculante son las zonas que mayores esfuerzos sufren es por ello que son las zonas más reforzadas del chasis. Los tipos de chasis se clasifican en función de la forma de unión del cabezal de dirección con la zona del anclaje del basculante. Chasis cuna simple cerrado: El chasis de cuna simple cerrado dispone de un solo tubo, que desciende, desde la columna de dirección y pasa por debajo del motor formando una cuna. La estructura, compuesta por tubos soldados, alberga al motor en su interior. El perfil en la parte inferior del chasis es continuo desde el cabezal de dirección hasta la zona del basculante. Figura 1: Chasis simple cuna cerrado, Bultaco Metralla. Se utilizaba en motos no deportivas de bajas prestaciones, ya que la rigidez pesopotencia es poco favorable. Actualmente los modelos que se fabrican con este tipo de chasis prácticamente han desaparecido. Chasis simple cuna abierto o interrumpido: Es una variante del chasis de cuna simple cerrado, y se diferencia de este, porque el perfil en la parte inferior está interrumpido al llegar al motor, siendo el motor el que cierra esa zona. En este caso se utiliza el motor como estructura resistente. 15

17 Figura 2: Chasis simple cuna abierto, Ducati 24 horas. Estos chasis son muy económicos y son habituales sobre todo en cilindradas pequeñas, 125 y 250 cc y en la mayoría de motocicletas trial. Chasis cuna simple desdoblado: Es otra variante del chasis de cuna simple, en el que del cabezal de dirección desciende un único tubo pero que se desdobla delante o debajo del motor, llegando a la zona del eje del basculante trasero dos tubos. Este tipo de chasis se utiliza habitualmente en motocicletas de campo y trial. Figura 3: (1973) Chasis simple cuna desdoblado, KTM 250SX (2011) Chasis doble cuna: Dos tubos descienden desde el cabezal de dirección y pasan por debajo del motor formando una cuna y abrazando al motor por los laterales en su parte inferior, en la zona del cárter, llegando al anclaje del basculante por separado. Estos chasis son más rígidos que los de cuna simple ya que forman una estructura más sólida. En muchos casos la cuna o parte inferior del chasis va atornillada para facilitar su desmontaje a la hora de introducir el motor. Es usual en motocicletas tipo custom. También era típico de motocicletas de grandes cilindradas en los años

18 Figura 4: Chasis doble cuna de Triumph (1962) Chasis multitubular: Este chasis consiste en dos vigas a cada lado del motor, que unen el cabezal de dirección con la zona del eje del basculante trasero, pero compuestas por tubos, rectos y cortos, colocados a modo de mampara. Estos tubos cortos, que suelen ser de secciones circulares y de acero al cromomolibdeno, le dan una gran rigidez al chasis. Generalmente estos tubos se diseñan para que solo trabajen a tracción o a compresión. En muchos casos el motor se utiliza adicionalmente como elemento estructural, soportando incluso el anclaje directo del basculante trasero. Este tipo de chasis es muy característico de Ducati. Figura 5: Yamaha FJ 1100, es una variable del chasis multitubular Chasis doble viga perimetral: Este tipo de chasis es el más utilizado en motos deportivas. La estructura que conforma este tipo de chasis se define perfectamente por su nombre, está formada por dos vigas de elevada sección, una a cada lado del motor, que parten del cabezal de dirección y acaban en la zona del eje del basculante. Las vigas abrazan perimetralmente al motor por su parte superior suelen ser generalmente de aleaciones de aluminio. Además, incorporan soportes inferiores para anclar el motor. En algunos casos se incorporan aberturas en las vigas para el paso de aire hacia la admisión. Estos chasis pueden ser fabricados por fundición, laminación o extrusión, o por combinación de estos métodos. El cabezal de dirección y la zona del anclaje del basculante son las 17

19 zonas que sufren mayores esfuerzos, por ello son zonas que generalmente se suelen fabricar mediante fundición. Figura 6: Honda VFR 750, chasis doble viga Chasis doble viga perimetral cerrado: Es una variante del chasis de doble viga. En este caso, además de disponer de las dos vigas que abrazan al motor en su zona superior por los laterales, parten otros dos tubos del cabezal de dirección hacia la zona inferior del motor y al basculante, haciendo de cuna y con sección muy inferior que las de la doble viga. Este tipo de chasis se utilizaba en motocicletas deportivas de los años 90. Figura 7: Suzuki GSX R 750 chasis doble viga Chasis monocasco: Es el tipo de chasis utilizado por Vespa durante muchos años. El chasis monocasco hace las funciones de chasis y a la vez de carrocería. Es una técnica que se utiliza en su mayoría en los diseños del automóvil (carrocería). Es un tipo de chasis muy inusual en otros modelos de motocicletas, sin embargo lo utiliza una moto deportiva como la Kawasaki ZX12R (2005) y la ZZR 1400, fabricado en aleación de aluminio. 18

20 Figura 8: Honda NR 500 de chasis monocasco Chasis Monoviga o de espina central: Podría considerarse como un tipo de chasis tubular en el que el tubo discurre por la parte superior toma mayor protagonismo, con mayores dimensiones y llega a ser prácticamente una viga. El motor ya no se rodea en la parte inferior por la cuna, sino que queda colgado bajo el perfil tubular o espina central del chasis. Esta monoviga dispone de unos soportes laterales para permitir anclar al motor. Entre modelos que disponen de este chasis se encuentran la Honda CB 600 F Hornet o la Triumph Trophy 900 (1997). Figura 9: Honda CB 900F, chasis monoviga Motor Las motocicletas normalmente están propulsadas por un motor de gasolina de dos o cuatro tiempos (2T y 4T), aunque últimamente los de dos tiempos están siendo reservados a las cilindradas más pequeñas, debido a razones medioambientales, por ello la mayoría de las motos de hoy en día son de cuatro tiempos. 19

21 El número de cilindros va desde uno, usual en cilindradas más pequeñas, hasta 6 en línea, siendo disposiciones muy frecuentes los 4 en línea y dos en V con diferentes ángulos. El motor va normalmente posicionado de modo transversal, es decir el cigüeñal es perpendicular a la marcha, independientemente del número de cilindros. El encendido del motor se hacía originalmente por magneto y platinos, sin batería; después por bobina y batería, y hoy día totalmente electrónico. Antiguamente la refrigeración por aire era la más normal, hoy en día es más usada la refrigeración líquida. Figura 10: Motor 4 Tiempos bicilíndrico en V de la marca Ducati, y motor 2 Tiempos Súper Tigre 2300 (respectivamente) Transmisión La transmisión del movimiento que impulsa a la motocicleta se efectúa, en su forma más sencilla, con una cadena engranada en unos piñones y conectada al eje de la rueda trasera. Esta cadena va engrasada para que se desgaste menos y su funcionamiento sea más silencioso. El montaje normal es liviano y razonablemente confiable, pero requiere de ajustes y lubricación regulares. Dispone generalmente de cambio de marchas, que se controla mediante una de las empuñaduras del manillar o mediante una palanca accionada con el pie; algunos modelos de poca cilindrada disponen de cambio por variador (sistema de poleas que mantiene constante la relación de revoluciones del motor mientras se varía la velocidad del vehículo), aunque ya están siendo usados modelos con embrague automático y cambio de velocidades secuencial. 20

22 El sistema de transmisión más habitual es el de engranajes y de una cadena, en el que la rueda del cigüeñal conecta con el embrague. Éste permite conectar y desconectar la transmisión del movimiento desde el motor a la rueda. En el apartado de desventajas, están su mantenimiento, no demasiado complicado consistente en limpieza, engrase y tensión que garantiza una duración aceptable si se realiza con cierta regularidad. Pero algunas máquinas ofrecen una alternativa, el cardán, este se usa en los casos de motor longitudinal y transversal. Muchas motocicletas modernas, utilizan un sistema de cardán, donde el montaje de un eje impulsor, gira la rueda trasera. La desventaja aquí es el peso, pero la ventaja es el bajo mantenimiento y el aumento de la fiabilidad. Figura 11: Cadena engranada y piñones y sistema de transmisión por cardán Ruedas y frenos Las ruedas son uno de los componentes más importante de las motocicletas ya que transmiten las fuerzas de conducción, frenado y dirección, además soportan el peso del conductor y el del pasajero. La conducción se lleva a cabo por la articulación de la rueda delantera (que gira según un eje vertical), consiguiendo mediante basculación sobre la vertical, la trayectoria en curva requerida por el conductor. Va controlada por un manillar sobre el que están instalados los dispositivos necesarios para control de la motocicleta: palancas de accionamiento del freno delantero, embrague, interruptores de las luces, etc. La motocicleta se mantiene erguida en recta y mantiene la estabilidad en curva gracias al efecto giroscópico de las ruedas y los ejes que sostienen las mismas, los cuales deben permitir que las ruedas giren libremente manteniendo su dirección correcta. 21

23 La mayoría de la ruedas de motocicleta son del tipo rayos. Algunas están equipadas con ruedas de aluminio o magnesio. El diámetro en las ruedas puede estar comprendido entre 21" para motos todoterreno o enduro, y 8" en motos pequeñas, y una anchura entre 5 cm hasta 210 mm, la diferencia más importante en relación a otros vehículos es la relación peso/potencia, esto caracteriza a la motocicleta de aceleraciones y frenadas difíciles de superar por los automóviles. Los frenos son imprescindibles para detener la motocicleta. Suelen ir anclados a las llantas y son accionados por una palanca en el manillar o en el pie. Los hay de dos tipos: de tambor y de disco. El freno de tambor está compuesto por cinco partes: Zapatas Porta zapatas Muelles Tambor Varilla del freno Los frenos de disco han ido ganando terreno en el total de motocicletas distribuidas, por ser más eficaces, y disipar mejor el calor generado en la frenada. Los frenos de tambor son muy particulares, porque si una de sus partes no funciona correctamente, la banda emite sonidos, como si fueran chillidos, al momento de frenar la motocicleta Tubo de escape Mediante esta pieza, la motocicleta puede expulsar los gases quemados durante la combustión (el monóxido de carbono y otros agentes nocivos). Está constituido generalmente por un colector de escape que recoge los gases de escape en salida de los cilindros prolongado por un dispositivo de evacuación. Un mismo motor puede disponer de varios tubos de escape. El tubo de escape sirve, en particular, para reducir el ruido y la contaminación. A través de un sistema que permite reducir el ruido: "el silenciador", y permite reducir las emisiones contaminantes, por catálisis y por filtración, gracias al filtro de partículas y al catalizador. 22

24 También el tubo de escape participa en el funcionamiento del motor: Si es demasiado libre, el motor aumenta su potencia (el cilindro se vacía mejor después de cada explosión), pero se calienta aún más y consume más. Si está demasiado obstruido, el motor denota falta de potencia. 1.3 Motocicleta Chopper Una moto custom es un tipo de moto que se destaca por su preciosa estética, sus cromados y su particular estilo. La idea de esta moto es que sus dueños la puedan adaptar como quieran (de ahí la palabra custom). En general son motos de no mucha potencia en donde lo que gratifica es el par motor y pocas revoluciones. Se caracterizan por el sonido característico de su motor (muy ronco) tanto que marcas como Harley Davidson han patentado el sonido de sus modelos. Una Chopper es creada removiendo o cortando (chopping) partes innecesarias de la moto. Se basa en la poca utilidad de elementos como los cristales, guardabarros delantero, grandes luces, topes direccionales, parachoques, grandes asientos, etc. Cortándolos, la moto luce lisa, brillante y ligera. Figura 12: Motocicleta estilo "Chopper", Wide Glide, Harley Davidson 23

25 Capítulo II.-Características de las motocicletas 2.1 Neumáticos La función principal del neumático es el de soportar el peso de la motocicleta, tanto en posición vertical como en viraje, sin embargo, es también la primer parte de la suspensión, ya que es el primer elemento que soporta la fuerza al encontrarse algún borde en el camino (tope, bache, etc.), o algún objeto. Pese a la suspensión en la motocicleta, sería muy complicado utilizar ruedas que no tuvieran neumáticos convencionales, u otro tipo de neumáticos que permitan una deformación considerable. La presión de inflado y el incremento de anchura del neumático producen fuerzas que se oponen a la carga vertical de la rueda. 2.2 Geometría de la motocicleta Lanzamiento Aunque existen diversos estilos y configuraciones de motocicletas, todas poseen en común las mismas geometrías básicas, independientemente del tamaño de las mismas, y son estas geometrías las que determinan en gran parte el desempeño de la motocicleta. El eje de dirección es la línea sobre la cual gira el sistema de dirección. El lanzamiento es la inclinación hacia atrás que tiene el eje de dirección. El avance es la distancia que existe al nivel del suelo, entre el centro de la huella de contacto del neumático y el punto en el cual el eje de dirección interseca con el suelo. La rueda delantera y la rueda trasera tienen sus propios valores de avance. El descentramiento existente entre el eje de la rueda y el eje de la dirección se mide en ángulo recto con respecto a este último. CdG es el centro de gravedad de la Figura 13: Lanzamiento Figura 14: Relación de avance y lanzamiento 24

26 motocicleta, es el centro combinado de la moto y el piloto. El avance mecánico de la motocicleta se mide en función del ángulo recto que se forma entre el eje de dirección con el lanzamiento. La función del avance es proporcionar una estabilidad direccional y también participa al inicio de la inclinación de la motocicleta cuando se toma una curva. Ambos neumáticos, al inclinarse, tocan el suelo por detrás del punto donde el eje de la dirección lo toca, esto produce un efecto de auto centrado de ambas ruedas. La distancia entre el eje de dirección y el centro de la huella de neumático, medida sobre el suelo, es lo que se conoce como avance. Sin embargo, es más lógico medir la distancia que hay entre la huella de contacto del neumático y el eje de dirección, y es gracias a esta distancia que cualquier fuerza que se genere en el neumático, crea un momento alrededor del eje de dirección, a esto se le llama avance de suelo. Debido a que existe cierto ángulo entre la rueda y la dirección de viaje (ángulo de deriva es el término técnico), se genera una fuerza que forma un ángulo recto con respecto al neumático. Como la huella de contacto queda por detrás del eje de dirección (avance positivo), esta fuerza actúa a través de un brazo de palanca que genera un momento corrector sobre la rueda girada. Ese brazo de palanca es igual al avance real y distinto al avance en el suelo, este es el motivo por el que es más lógico utilizar el avance real. A pesar de la lógica, el avance en el suelo, es el más comúnmente especificado. Si la dirección se gira debido a alguna causa, el avance positivo automáticamente contrarresta el giro proporcionando cierta estabilidad direccional. Esto también interacciona con los efectos estabilizadores de las reacciones giroscópicas. Si la huella de contacto del neumático estuviera por delante del eje de dirección, el momento generado reforzaría la perturbación original y la motocicleta se volvería direccionalmente inestable. Figura 15: Relación entre avance trasero y delantero 25

27 En la figura 15, a pesar de que la rueda trasera tiene un avance mayor, su ángulo de deriva es menor que el de la rueda delantera para un desplazamiento lateral dado. Por lo tanto el desplazamiento y el efecto auto-alineante del avance tienen un significado mayor. Se debe resaltar que el avance no tiene un valor fijo, existen varios factores que hacen que el avance varié durante el desplazamiento de la motocicleta. Entre ellos está el ángulo inclinación, ángulo de giro de dirección y también el radio del perfil del neumático. El propósito principal del avance de la rueda directriz (rueda delantera), es proporcionar estabilidad a la motocicleta, aunque también produce otros efectos, los más importantes son: Efecto direccional Si se inclina la motocicleta sin tener desplazamiento, hacia un lado y después se gira el manillar, la pipa sube o baja dependiendo de la posición de la dirección. El peso de la motocicleta, que actúa en la huella de contacto del neumático produce un par de alrededor del eje de dirección que tiende a girar la dirección a la posición en la que la pipa está más baja (la posición mínima de energía potencial) Tacto en línea recta Cuando avanza la motocicleta en línea recta, la dirección se siente más suave en caminos húmedos o resbaladizos que los que se encuentran secos. Esto se debe a que la aparente línea recta en la que avanza la motocicleta es en realidad una serie de pequeñas curvas de corrección, por el efecto de auto alineación de la rueda delantera, es decir, el manillar va girando de lado a lado levemente todo el tiempo Lanzamiento (inclinación del ángulo de dirección) El lanzamiento es el ángulo existente de la pipa de dirección (eje de dirección) y el suelo, y este ángulo es el que produce el efecto de avance con la rueda, sin embargo se pueden tener distintos ángulos de dirección con los que se obtenga el mismo avance, como se muestra en la siguiente figura: 26

28 Figura 16: Avance de acuerdo al ángulo de pipa de dirección Con una pipa de dirección convencional (izquierda), resulta un lanzamiento normal, que provee facilidad de construcción del chasis y también un montaje directo del manillar, mientras que un mismo avance, una dirección de pipa vertical (derecha), provee mayores dificultades en ambos aspectos. En algunos diseños de motocicletas, por cuestiones de espacios el eje de la rueda directriz y el eje de dirección, suelen estar en el mismo "plano", es decir no existe un decalaje, y suelen tener ángulos entre 10 y 15 grados. Este ángulo es un ángulo menor que el habitual, sin embargo las motocicletas de este tipo poseen gran estabilidad y buen comportamiento direccional. Figura 17: Avance igual con distintos lanzamientos Tres posibles ángulos de lanzamiento que proporcionan el mismo avance de suelo. Izquierda: Sistema convencional; Centro: Angulo de lanzamiento cuando no existe decalaje; Derecha: Angulo de lanzamiento de cero grados (eje de dirección vertical) que proporciona un decalaje negativo. Para un valor cualquiera de avance en el suelo, el par auto-alineante en la rueda directriz y la horquilla, depende de la longitud del brazo de palanca desde el centro 27

29 de la huella de contacto con el eje de dirección, medido como ángulo recto con respecto a ese eje. En la siguiente figura, se observa que se brazo de palanca se acorta conforme el lanzamiento aumenta, esto significa que se necesita un avance mayor en el suelo, conforme el ángulo de lanzamiento se hace mayor. Bajo este contexto, se puede decir que el ángulo de lanzamiento tiene un efecto anti-avance. Figura 18: Lanzamiento cero, y lanzamiento con un ángulo positivo Un lanzamiento positivo reduce el par auto-alineante para un valor de determinado avance. La reducción de avance se nota más cuando se aplica un ángulo a la dirección, a continuación se muestra la reducción del avance en el suelo para distintos ángulos de lanzamiento y varios ángulos de giro de la dirección hasta un valor máximo de 80 grados. 28

30 Figura 19: Reducción del avance en suelo, para diferentes valores de lanzamiento según el ángulo de giro de la dirección Con grandes ángulos de giro de la rueda, el lanzamiento puede llegar a hacer que el avance sea negativo, si bien los ángulos de giro son muy amplios, solo se pueden conseguir a muy bajas velocidades. En la siguiente figura se muestra lo que ocurre físicamente. Aunque para que se tenga un avance negativo se necesitan ángulos de giro de la dirección muy grandes, con ángulos de giro pequeños, aun así se reduce el avance. Figura 20: Llantas sin lanzamiento, y con un lanzamiento normal 29

31 En la figura la dirección se encuentra girando grados hacia la izquierda. Existe un avance totalmente positivo con cero grados de lanzamiento y el efecto de avance negativo que puede ocurrir con un ángulo de lanzamiento normal Caída de la pipa de dirección En una motocicleta con avance positivo en posición vertical, la pipa de dirección bajara conforme se gire el manillar hacia un lado o el otro (con un avance negativo, lo cual no es normal, la pipa subirá). A mayor el ángulo, mayor será la caída de la pipa. Figura 21: Inclinación de la rueda respecto al ángulo de lanzamiento En la imagen anterior se muestra que con un ángulo de 90 grados (arriba), cuando se gira el manillar se puede observar la caída de la pipa y la variación del ángulo de comba de la rueda. Con cero grados de lanzamiento (abajo) estos efectos no tienen lugar. Esta caída tiende a bajar contra el efecto auto-alineante del lanzamiento, porque para volver a girar al manillar hasta la posición de línea recta, se debe de levantar el considerable peso que soporta la pipa de dirección. 30

32 Figura 22: Caída del tren delantero de acuerdo al ángulo de giro de la dirección En la figura anterior se muestra una grafica de caída de la pipa, para una motocicleta en posición vertical, para distintos ángulos de lanzamiento y varios ángulos de giro de la dirección Distancia entre ejes La distancia entre los ejes de las ruedas tiene diversos efectos, pero en general, cuanto mayor sea esta distancia, mayor es la estabilidad direccional y mayor es el esfuerzo necesario para tomar las curvas. Existen tres razones principales para esto: 1. Angulo de giro requerido En la siguiente figura se puede observar que para una curva dad, una motocicleta con una gran distancia entre ejes necesita girar más la rueda delantera hacia el interior de la curva. Como consecuencia es necesario un mayor esfuerzo para recorrer las curvas, también una determinada flexión de la rueda delantera (por ejemplo debido a baches), tendría un efecto menor en la estabilidad direccional. 31

33 Figura 23: Diferencia de ángulos de giro entre rueda delantera y trasera 2. Angulo de la rueda trasera En la siguiente figura se puede notar que, para una determinada flexión lateral, el ángulo formado entre la rueda trasera y la dirección de viaje es menor con un distancia entre ejes grande, lo cual mejora la estabilidad direccional. Figura 24: Desplazamiento de la rueda trasera a diferentes distancias, con respecto a la delantera Una distancia entre ejes grande mejora la estabilidad direccional al reducirse los desplazamientos laterales de la rueda trasera. 32

34 3. Efectos de inercia La distancia entre ejes tiene un efecto sobre la transferencia de peso que tiene lugar durante la frenada y la aceleración. Para una altura dad del centro de gravedad, cuanto mayor sea la distancia entre ejes, menor será la transferencia de peso. También, los momentos de inercia de los planos de cabeceo y guiñada se incrementaran, lo cual hará que la motocicleta se mas estable Diámetro de las ruedas El tamaño del neumático es una parte tan importante, que existe una necesidad de elegir correctamente, ya que existen ventajas y desventajas, como se muestra a continuación: Para una sección de neumático dada, una rueda más pequeña reduce la masa no suspendida (lo que beneficia el agarre al suelo) y la inercia de la dirección. El tamaño de la rueda afecta a las fuerzas giroscópicas. Para un neumático y una sección dada, estas fuerzas son proporcionales a la velocidad con que se circula y al cuadrado del diámetro de la rueda. Así, una rueda más grande comenzara a generar fuerzas de precesión a velocidades menores. El continuo aumento de la anchura de los neumáticos para mejorar la capacidad de tomar las curvas, es probablemente el principal motivo para reducir también el diámetro, de cara a evitar reacciones giroscópicas excesivas, que tienden a volver más lenta la respuesta de la dirección. Una rueda más pequeña se mete más fácilmente en los agujeros y también percibe los baches altos de forma más clara. También la rueda más pequeña, para subir un escalón, debe hacerlo as rápido que una grande, esto incrementa su velocidad vertical de forma que la suspensión trabaja más, y se transfieren mas movimientos a la masa suspendida de la motocicleta. Para una sección dada de un neumático, el área de goma de contacto con el suelo es mayor en las ruedas más grandes. Con ruedas más pequeñas, se puede aumentar la anchura del neumático para no reducir el área de contacto. pero esto puede dar lugar a otros problemas. El efecto auto-alineante del avance y el lanzamiento, se acentúa con el empleo de ruedas pequeñas. Por razones puramente estructurales, una rueda pequeña es más rígida. 33

35 Figura 25: Diferencia de huella de contacto con diferentes diámetros. Los neumáticos de mayor diámetro generalmente tienen una huella de contacto mayor. La forma y el tamaño exactos del área de contacto dependerán también de la anchura, la presión de hinchado y otras propiedades del neumático Rigidez del chasis Para realizar el diseño adecuado del chasis adecuado para los propósitos de la motocicleta, se tiene que enfrentar a más problemas que solamente elegir el mejor compromiso entre los distintos parámetros geométricos que los mencionados anteriormente. Si el chasis no es lo suficientemente rígido para mantener en uso la geometría elegida, entonces todos los cálculos habrán sido en balde. En una motocicleta existen muchas fuentes de flexión que se deben minimizar si se desea tener un buen comportamiento. Es de suma importancia mantener el alineamiento entre los planos medios de las ruedas y el eje de dirección, de no ser así, la estabilidad direccional empeorara, y la motocicleta tendera a mover la dirección. En la rueda delantera, este alineamiento lo proporciona la rigidez lateral de la horquilla y la rueda. 34

36 Figura 26: (Izquierda): Desplazamiento lateral debido a la flexión de la horquilla y la rueda; (Derecha): El gran brazo de palanca causa elevados momentos flectores en las barras de la horquilla y en la pipa de dirección, lo que puede dar lugar a vibraciones y saltos de rueda. Mantener la rueda trasera alineada con el eje de dirección implica no solo rigidez lateral de la rueda, sino también la rigidez lateral y torsional del chasis basculante. Figura 27: Desplazamiento de la rueda trasera, debido a la torsión del chasis Desplazamiento lateral de la rueda trasera debido a la flexión lateral y torsional del chasis. Un aspecto no muy tomado en cuenta es la rigidez del subchasis que soporta el asiento. El piloto recibe en gran parte el comportamiento de la motocicleta por 35

37 medio del asiento, de forma tal que si el asiento tiene un movimiento independiente con respecto al chasis, el piloto recibirá información equivocada del comportamiento de la motocicleta Peso (masa) y su posición En general una motocicleta cuanta menos masa tenga, será mejor. Bajo la influencia de una fuerza dad, cuanto menor sea la masa más rápido acelerara. Esto no solo se nota en una respuesta mejor de la potencia, también implica que la motocicleta sea más sensible a cualquier fuerza que haga el piloto. También es muy importante la distribución de esa masa y la ubicación del centro de gravedad, tomando en cuenta lo siguiente: Equilibrio: Un peso contenido y un centro de gravedad bajo ayudan a tener un buen equilibrio. En la figura mostrada a continuación se muestra como para un determinado grado de inclinación, el par desestabilizador es directamente proporcional al peso y la altura del centro de gravedad. Figura 28: Centros de gravedad alto y bajo de la motocicleta El par desestabilizador es igual a Wt*x, el peso (W), multiplicado por el brazo de palanca (x). Dado que el brazo de palanca es proporcional a la altura del centro de gravedad, un centro de gravedad alto proporciona un mayor efecto desestabilizador. Transferencia de carga: Durante la frenada, la carga vertical se transfiere desde la rueda trasera hacia la delantera. Durante la aceleración la transferencia es en sentido contrario. Aumentando la distancia entre ejes, disminuye la transferencia de carga, lo mismo ocurre si se baja el centro de gravedad o se reduce la masa. 36

38 Tracción: Dado que la fuerza propulsora que transmite la rueda trasera al suelo es proporcional a la carga que soporta la rueda, una distribución de peso cargada atrás mejora la tracción. Se debe tomar en cuenta que es importante también que la rueda delantera tenga contacto con el piso para poder virar. Una distribución de peso que cargue más el tren delantero ayuda a mejorar la estabilidad direccional, como ocurre, por ejemplo, con un dardo o una flecha. Angulo de inclinación: El ángulo de inclinación necesario para equilibrar la fuerza centrifuga cuando se toma una curva se ve afectado un poco por la altura del centro de gravedad. Figura 29: Centro de gravedad respecto un ángulo de giro del chasis Aunque un centro de gravedad bajo requiere un menor grado de inclinación, el efecto es menor en la práctica al verse contrarrestado por un efecto opuesto debido a la anchura de los neumáticos. 37

39 Figura 30: Fuerza resultante al girar Se pueden ver diferentes ángulos de inclinación requeridos con distintas alturas del centro de gravedad, debido a la anchura del neumático. Este efecto es opuesto al mostrado en la imagen anterior Equilibrio en línea recta y curva Las motocicletas carecen de equilibrio estático. Una vez que se alcanza cierta velocidad, la motocicleta se mantiene en equilibrio. Existen, entonces, dos casos diferenciados en el equilibrio de una motocicleta, uno a baja velocidad, y otra a velocidades altas. Para mantener el equilibrio a bajas velocidades, es necesario mover el manillar de un lado a otro, y mantener lo más recto posible a la motocicleta. Si el centro de gravedad (CdG) combinado de la motocicleta y del piloto vistos desde atrás (figura 30), se encuentra en la vertical de la línea recta que une las huellas de contacto con los neumáticos delantero y trasero, se tienen equilibrio, aunque esta es una situación inestable. Cualquier pequeña distorsión, será suficiente para que se pierda la condición de equilibrio y el CdG se desplace hacia un lado. 38

40 Figura 31: Equilibrio de la motocicleta 39

41 Capítulo III- Procedimiento de diseño 3.1 Diseño del cuadro Primero se deben establecer las dimensiones de la motocicleta, por lo cual se recomienda realizar un sketch en dos planos de las dimensiones principales de la motocicleta, dibujando círculos para las ruedas, como referencia. De igual forma se debe saber que neumáticos serán los que se desean para la motocicleta y así poder tomar las medidas de los mismos en el sketch. Para este ejemplo se eligieron los siguientes neumáticos: Neumático delantero, especificaciones: 100/90B19 57H Neumático trasero, especificaciones: 150/80B16 77H Los primeros 3 dígitos indican el ancho de la llanta, los siguientes dígitos identifica la relación de la altura del costado con el ancho de la llanta. La letra es el tipo de construcción de la llanta, es ambos casos (B) significa construcción con cinturón. Los siguientes dígitos es el diámetro del rin en pulgadas, los dígitos que siguen son de la carga máxima que soporta cada neumático, y la letra "H", representa la velocidad máxima que soporta el neumático. Figura 32: Carga máxima de neumáticos de diversos diámetros 40

42 Figura 33: Velocidad máxima que soporta el neumático, y utilización más común Una vez hecho esto se debe tener la idea de cómo ira la motocicleta, es decir, la forma de los tubos que no se ven en el sketch realizado, e irlos adaptando a como 41

43 se desee que quede la motocicleta, teniendo en cuenta, los espacios del motor, asiento, etc. Para el diseño se propone un chasis doble cuna, el cual es el más utilizado para este tipo de motocicletas, y de más fácil construcción. Así que se empiezan a hacer los tubos como a continuación: Primero se debe elegir el primer tubo con el que se empezara el diseño, se sugiere iniciar, con uno de los tubos inferiores que son paralelos al piso, solo se requiere hacer uno ya que la motocicleta es simétrica, así que las medidas propuestas para este son: El diámetro del tubo será de 25.4 mm, y un diámetro interno de 20 mm, la distancia que se da entre el tubo y el sistema de ejes, es para tener la referencia del ancho de la motocicleta, la cual será del doble del tamaño de la distancia entre el tubo y el sistema de ejes. Lo siguiente es el realizar un "Pad", con la longitud antes propuesta Seleccionando la herramienta "Pad", se despliega una ventana, en la cual se le ingresa la longitud del tubo, se sugiere que se seleccione la opción "Mirrored extended", y solo ingresar la mitad de la distancia. 42

44 A continuación se realiza un plano, para poder trabajar de manera más fácil los siguientes segmentos de tubos: El plano se realiza, hasta el extremo del tubo, la distancia es de 300 mm, así ya se puede realizar uno de los tubos que tienen un ángulo. Lo siguiente es realizar, en el extremo del tubo donde se hizo el plano, dos círculos sobre los de los tubos. 43

45 De esta forma se asegura que el tubo sea concéntrico, también se traza un eje horizontal, el cual dependiendo de la forma del chasis, será la distancia del tubo que tendrá, lo que permitirá realizar un tubo curvo, como a continuación: 44

46 El ángulo depende de la misma forma de como se desee el chasis, se puede jugar con el eje, a diferentes distancias, para poder elegir la que sea adecuada para el diseño que se está realizando, se realizando con la función "Shaft". Lo siguiente es realizar, nuevamente un plano, esta vez el plano se realizara sobre el tubo. En el tipo de plano se debe seleccionar "Through planar curve", y se puede elegir cualquiera de las circunferencias del tubo. Después de esto se realizara de nueva cuenta, sobre el nuevo plano, dos circunferencias, y se realizará un "Pad", de la longitud que se desea Nuevamente se hará lo mismo, se colocara otro plano, sobre el nuevo segmento de tubo, y las circunferencias del tubo, junto a un eje para poder darle curvatura a un nuevo segmento de tubo. 45

47 Lo siguiente es realizar tubos perpendiculares, esta vez, al primer tubo, pero tomando como referencia, los ejes principales, como a continuación: Se le hace un "Pad", a estos tubos, para que toquen al tubo principal: 46

48 Se puede realizar la circunferencia interna junto a la externa, o por separado, con un "Pocket". A continuación, se puede seguir con el tubo, esta vez del lado opuesto al que se ha estado trabajando. De igual forma, se realiza un plano a la distancia del final del tubo, y dos circunferencias, en este caso debido a la curvatura que lleva el tubo, el eje llevara un ángulo, a diferencia de los anteriores. 47

49 Lo siguiente es nuevamente realizar un plano, en la cara del tubo que se acaba de realizar. Nuevamente, el procedimiento sigue siendo similar a los demás, se realizan las circunferencias, y se realiza un "Pad", al mismo Si llegara a hacer falta algún segmento de tubo, se puede hacer, por ejemplo, si hace falta otro tubo perpendicular, se puede realizar al igual que como se hicieron los demás. 48

50 De este punto se puede realizar un "Mirror", el cual copia cada uno de los tubos, de forma tal que quede simétrico el chasis, se debe elegir sobre que plano se van a copiar: 49

51 Lo siguiente es realizar los tubos faltantes, se debe hacer un plano, y de nuevo las circunferencias. 50

52 Se puede realizar también, el "Mirror", para hacer el tubo del otro lado: Para los siguientes tubos se realizan las mismas instrucciones. 51

53 52

54 En este caso se hará, para la unión de los tubos recién hechos, una sección más grande, donde entraran: 53

55 A continuación se realiza un tubo, pero de la parte interna del tubo actual: Ahora solo falta un último tubo, este se hará para la unión de los tres tubos superiores y donde pasara el manillar de la motocicleta. Se hará un plano para este tubo. Lo siguiente es hacer un perfil, con un eje, para hacer un "Shaft" y que quede la forma del tubo: 54

56 Finalmente, si quedan partes de los tubos, dentro del tubo que se hizo, se puede hacer un "Pocket", del diámetro interno para removerlo: 55