Desarrollo de un nuevo y ligero semirremolque cisterna basculante

Transcripción

1 I Jornada sobre Investigación y Desarrollo aplicada al sector del Vehículo Industrial Desarrollo de un nuevo y ligero semirremolque cisterna basculante Tomás Hernández Departamento Técnico PARCISA S.L.U.

2 Índice 1. Introducción. 2. Cisterna basculante para materiales pulverulentos. 3. Herramientas y criterios de diseño considerados. 4. Estudio y caracterización de maniobras de interés. 5. Primeros resultados obtenidos: rigidez, resistencia. 6. Propuestas de mejora: reducción de taras. 7. Conclusiones y futuros trabajos. 2

3 1. Introducción Aligeramiento estructural en vehículos pesados Uno de los criterios de diseño de mayor relevancia en el desarrollo de vehículos destinados al transporte de mercancías es el de aligeramiento estructural (reducción de taras), ya que reportan una serie de importantes ventajas: Reducción consumo de combustible. Reducciones de 10% en el peso de los camiones reducen el consumo de combustible entre un 5% y 10%) (Fuente: IFEU: Institute for Energy and Environmental Research) 3

4 1. Introducción Aligeramiento estructural en vehículos pesados Aumento de carga útil. Una reducción del peso del vehículo permite aumentar la carga útil a transportar, disminuyendo el consumo y el coste por kilo de mercancía transportado. Aumento seguridad del vehículo. Reducir el peso del vehículo implica disminuir los esfuerzos debidos a los procesos inerciales ocurridos en la dinámica longitudinal, vertical y lateral del vehículo. Esta reducción de esfuerzos implica un aumento de la vida útil de los componentes de los sistemas destinados a controlar dichos esfuerzos. Ahorro material. Desde el punto de vista del fabricante, supone una reducción en los kilos de material necesarios para desarrollar el vehículo, es decir, por lo general una disminución en los costes de fabricación del vehículo. Mayor competitividad. Las mejoras realizadas sobre los productos repercuten, en definitiva, en una mayor nivel competitivo del fabricante respecto del resto de empresas del sector. 4

5 1. Introducción En cuanto a materiales, pueden considerarse los siguientes: Materiales hasta ahora utilizados Aleaciones de aluminio. Gracias a su baja densidad comparada con la del acero (2.700 frente a kg/m 3 ) es un material muy atractivo de aplicación en vehículos pesados. Presenta niveles de rigidez y resistencia específicas (por unidad de peso) aceptables. Aspectos mejorables/desventajas. Uno de los principales inconvenientes que presenta este tipo de material es la difícil predicción del comportamiento de las uniones soldadas. A diferencia de los aceros, el material del cordón presenta inferiores propiedades que el material base, lo cual requiere un exhaustivo diseño de la unión y posterior control para evitar futuros fallos en operación. 5

6 1. Introducción Uso de nuevos materiales Aceros de Alta Resistencia. Actualmente, los denominados como aceros de alta resistencia y ultra-alta resistencia suponen, gracias a las propiedades que ofrecen, una interesante alternativa de aplicación en vehículos pesados como los analizados en este proyecto: Tipo de acero Módulo elástico Límite elástico Resistencia Estructural 210 GPa entre 270 y 360 MPa entre 370 y 520 MPa Alta resistencia 210 GPa entre y MPa entre y MPa (Fuente: Centro Zaragoza) 6

7 2. Cisterna basculante para materiales pulverulentos Objetivos y justificación del Proyecto Realizar un análisis del estado actual de materiales (profundizando sobre todo en aceros de alta resistencia) que ofrezcan una elevada resistencia específica, con aplicación al sector de fabricantes de vehículos pesados. Realizar un análisis y establecer los criterios de diseño de interés (rigidez, resistencia y peso) en vehículos cisterna basculantes para el transporte de materiales pulverulentos. Comprobar, mediante herramientas de simulación numéricas basadas en el Método de los Elementos Finitos (MEF), el comportamiento en términos de rigidez y resistencia del vehículo actual. Determinar, analizando los resultados anteriores, posibles mejoras/optimizaciones siguiendo con los criterios de diseño previamente establecidos, en especial reduciendo la tara del vehículo (diferentes sistemas de material ligero, aceros de alta resistencia) y manteniendo los niveles de rigidez/resistencia exigidos. Desarrollar y ensayar prototipos de vehículo optimizado en base a los resultados obtenidos en las fases anteriores, comprobando el cumplimiento de los criterios de diseño así como validando los modelos teóricos considerados en los cálculos. 7

8 2. Cisterna basculante para materiales pulverulentos Planteamiento general BLOQUE 1. REDISEÑO DEL VEHÍCULO CISTERNA BASCULANTE ACTUAL TAREA 1 Modelización por elementos finitos del vehículo cisterna basculante actual TAREA 2 Cálculo vehículo cisterna basculante actual TAREA 3 Cálculo de submodelos locales del vehículo cisterna basculante actual TAREA 4 Optimización del vehículo cisterna actual TAREA 5 Construcción de un Prototipo del vehículo cisterna basculante actual TAREA 6 Ensayo extensométrico del Prototipo del vehículo cisterna basculante actual óptimo 8

9 2. Cisterna basculante para materiales pulverulentos Planteamiento general BLOQUE 2. DESARROLLO DE UN NUEVO SEMIRREMOLQUE CISTERNA BASCULANTE CON CHASIS EN ACERO DE ALTA RESISTENCIA TAREA 1 Modelización por EF del vehículo cisterna basculante con chasis en acero de alta resistencia TAREA 2 Cálculo vehículo cisterna basculante con chasis en acero de alta resistencia TAREA 3 Cálculo de submodelos locales del vehículo cisterna basculante con chasis en acero de alta resistencia TAREA 4 Optimización del vehículo cisterna basculante con chasis en acero de alta resistencia TAREA 5 Construcción de Prototipo del vehículo óptimo con chasis en acero de alta resistencia TAREA 6 Ensayo extensométrico del Prototipo del vehículo óptimo con chasis en acero de alta resistencia 9

10 3. Herramientas y criterios de diseño considerados Los criterios de diseño considerados en el desarrollo del proyecto se resumen en los siguientes: Rigidez. En este caso, se deberá comprobar, tanto en los modelos de partida como en las nuevos modelos optimizados, que los niveles de desplazamiento verticales, horizontales y transversales se encuentran dentro de los límites previamente establecidos. Resistencia. Se obtendrán los niveles de tensión equivalente de Von Mises, así como el coeficiente de seguridad en relación al límite elástico, para cada uno de los componentes y materiales considerados. Peso. Uno de los criterios fundamentales que se tendrá en cuenta a la hora de tomar decisiones sobre las soluciones y nuevos modelos propuestos será el de aligeramiento estructural, manteniendo e incluso superando los niveles de rigidez y resistencia anteriores. 15 mm 9 mm 18 mm 12 mm 8 mm 15 mm 10

11 3. Herramientas y criterios de diseño considerados La metodología de trabajo será la siguiente: Definición de maniobras críticas Obtención de solicitaciones Obtención de resultados en términos de rigidez y resistencia Análisis de resultados Propuesta de mejoras en base a criterios de rigidez, resistencia y peso Rediseño y optimización de componentes Desarrollo y ensayo de prototipos 11

12 4. Estudio y caracterización de maniobras de interés En base a la experiencia y el análisis de las maniobras realizables por este tipo de vehículos, se han estudiado y caracterizado las siguientes maniobras ( casos de carga ) considerados posteriormente en los análisis numéricos realizados: Apoyo 5ª rueda Empotramiento suelo Carga máxima aplicada como una distribución hidrostática de presión: Reposo sobre 5ª rueda 30 T Presión hidrostática ρ = 476 Kg./m 3 V = 63 m 3 Carga = N Tara conjunto cisterna: Kg. Tara chasis: Kg. Empotramiento extremos muelles 12

13 4. Estudio y caracterización de maniobras de interés Reposo con el chasis apoyado en soportes de aparcamiento Apoyo soportes Caso similar al anterior pero en este caso la 5ª rueda queda libre y el apoyo se realiza sobre los soportes de aparcamiento. 30 T Tara conjunto cisterna: Kg. Tara chasis: Kg. Empotramiento extremos muelles Presión hidrostática ρ = 476 Kg./m 3 V = 63 m 3 Carga = N 13

14 4. Estudio y caracterización de maniobras de interés Soporte: admite tanto fuerzas como momentos en todas las direcciones Esfuerzos transmitidos al diapres y al soporte mediante sistemas de fuerza-par equivalentes Giro de radio mínimo (vida frente a fatiga) Sentido avance vehículo Diapres: solo absorbe reacciones verticales 90º Cabina tractora a 90º 14

15 4. Estudio y caracterización de maniobras de interés Apoyo 5ª rueda Empotramiento suelo Carga máxima aplicada como una distribución hidrostática de presión: Bache de 150 mm en una rueda trasera Presión hidrostática ρ = 476 Kg./m 3 V = 63 m 3 Carga = N 30 T Tara conjunto cisterna: Kg. Tara chasis: Kg. +15 mm 15

16 4. Estudio y caracterización de maniobras de interés Aceleración inicial (a determinar) Sin apoyar Apoyo 5ª rueda Empotramiento suelo En este caso, se introducirá una aceleración inicial sobre el bulón de anclaje del cilindro. Además, se liberarán las uniones entre los escudos y la cisterna dejando únicamente la unión con el giro trasero Comienzo de basculación 30 T Presión hidrostática ρ = 476 Kg./m 3 V = 63 m 3 Carga = N Tara conjunto cisterna: Kg. Sin apoyar Tara chasis: Kg. Empotramiento extremos muelles Apoyo giro Carga máxima aplicada como una distribución hidrostática de presión: 16

17 4. Estudio y caracterización de maniobras de interés Presión hidrostática ρ = 476 Kg./m 3 V = 63 m 3 Carga = N Apoyo 5ª rueda Empotramiento suelo Basculación a grados Tara conjunto cisterna: Kg. Carga máxima mantenida durante la maniobra 30 T º Tara chasis: Kg. Empotramiento extremos muelles 17

18 5. Primeros resultados obtenidos: rigidez, resistencia. (Modelo de Elementos Finitos) Total: elementos Detalles modelo numérico 18

19 5. Primeros resultados obtenidos: rigidez, resistencia. Resultados en términos de rigidez A modo de ejemplo, se muestra la deformada y los mapas de desplazamiento (longitudinal, vertical y transversal) correspondientes a la maniobra de Giro de radio mínimo, ya que se trata del caso más desfavorable de entre los descritos anteriormente: Deformada del modelo (x 5) 19

20 5. Primeros resultados obtenidos: rigidez, resistencia. Resultados en términos de resistencia A modo de ejemplo, se muestra la tensión equivalente de Von Mises (en MPa), tanto del conjunto como de algunos de los componentes que forman parte del vehículo (maniobra de Giro de radio mínimo ): MPa. 0 MPa. 20

21 6. Propuestas de mejora: reducción de taras NUEVO SEMIRREMOLQUE CISTERNA BASCULANTE CON CHASIS EN ACERO DE ALTA RESISTENCIA Cambio de material Reducción espesores en componentes Modificación zona de arriostramiento de ejes Optimización de largueros: 220 kg 21

22 6. Propuestas de mejora: reducción de taras Resumen de pesos (Kg.) de los diferentes modelos estudiados: Cisterna Chasis TOTAL Original (Aluminio) Optimizado (Aluminio) Iteración 1 (Acero) Iteración 2 (Acero) Nota: Solamente han sido considerados los componentes incluidos en la modelización. Variación de pesos respecto de los modelos en aluminio: Modelo Acero (1ª Iteración) Modelo Acero (2ª Iteración) Cisterna Chasis TOTAL Cisterna Chasis TOTAL Respecto Original (Aluminio) 23 % 29 % 4 % 23 % 5 % 8 % Respecto Optimizado (Aluminio) 20 % 45 % 12 % 20 % 18 % 1 % nº Disminución nº Aumento 22

23 7. Conclusiones y futuros trabajos El vehículo cisterna basculante actual, realizado en aluminio, puede ser mejorado bajo los criterios de rigidez, resistencia y reducción de peso previamente establecidos y analizados en el proyecto. Los primeros resultados obtenidos muestran que algunos de los componentes están sobredimensionados respecto de los criterios anteriores. En otros casos, se detectan zonas en las cuales los niveles de resistencia (coeficientes de seguridad) deben ser mejorados para aumentar la seguridad de la estructura. Además, y en base al análisis del estado del arte previamente realizado, se plantean alternativas al modelo actual en cuanto a materiales se refiere. En este sentido, se analiza y valora la aplicación de aceros de alta resistencia debido sobre todo a su elevada resistencia específica. Como futuros trabajos se propone la aplicación de las mejoras propuestas en el desarrollo de prototipos, optimizados tanto en aluminio como en acero de alta resistencia, para su posterior ensayo y fase de pruebas. 23