REVISTA ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
Vol. 11 Núm. 1 / 2022
PALMA E, BLACIO M., Optimización del sistema de dirección, suspensión y frenos para aplicación en un supercrosscar
Edición No.11/2022 (10) ISSN 1390- 7395 (7/10)
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Optimización del sistema de dirección, suspensión y frenos para aplicación en un
supercrosscar
Optimization of Steering, Suspension, and Braking System for Application in a
Supercrosscar
Edwin P. Palma1, Cándido M. Blacio1.
1 Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE /Energía y Mecánica
Correspondencia Autores: edpalma@espe.edu.ec, cmblacio@espe.edu.ec
Recibido: 18 de julio 2022, Publicado: 8 de diciembre de 2022
Resumen— Este proyecto se enfoca en mejorar el
rendimiento y las características de un vehículo Suzuki G10
SOCH para competir en circuitos, de acuerdo con las
regulaciones de la normativa FEDAK. Se realizaron
adaptaciones en tres sistemas clave: dirección, frenos y
suspensión.
Para el sistema de dirección, se llevó a cabo una inspección
completa, reemplazando piezas desgastadas y mejorando
componentes para lograr un radio de giro más reducido. En
cuanto a la suspensión, se realizó un reacondicionamiento
completo y una optimización del sistema, incluyendo una
nueva base de regulación de CAMBER y CASTER para
mejorar la estabilidad y maniobrabilidad del vehículo. Se
añadieron bases para facilitar la regulación de la rigidez y la
altura de la suspensión.
En el sistema de frenos, se implementaron mejoras en los
frenos delanteros y se reacondicionaron los frenos
posteriores. Se sustituyeron los discos tradicionales por discos
perforados y ranurados en la parte delantera para aumentar
la eficiencia de frenado sin comprometer la maniobrabilidad
del vehículo, se utilizó líquido de frenos resistente a presiones
y temperaturas elevadas.
Palabras clave— Sistema de dirección, Sistema de
suspensión, Sistema de frenos, Supercrosscar , transferencia de
calor y masa .
Abstract— This project focuses on improving the
performance and characteristics of a Suzuki G10 SOCH vehicle
for competition on circuits, in accordance with FEDAK
regulations. Adaptations were made to three key systems:
steering, brakes, and suspension.
For the steering system, a complete inspection was
conducted, replacing worn parts and improving components to
achieve a reduced turning radius. Regarding the suspension, a
comprehensive refurbishment and optimization of the system
were carried out, including a new CAMBER and CASTER
regulation base to enhance the stability and maneuverability of
the vehicle. Bases were added to facilitate the regulation of
suspension stiffness and height.
In the brake system, enhancements were implemented on the
front brakes, and the rear brakes were refurbished. Traditional
discs were replaced with perforated and grooved discs at the
front to increase braking efficiency without compromising
vehicle maneuverability. Additionally, brake fluid resistant to
high pressures and temperatures.
Keywords—. Steering system, Suspension system, Brake
system, Supercrosscar, heat and mass transfer.
I INTRODUCCIÓN
La problemática radica en la ausencia de un modelo
definido para las mejoras que pueden implementarse en
un vehículo, con el fin de garantizar un rendimiento
óptimo. En este sentido, se han identificado áreas como
la mejora de la suspensión, la optimización del sistema de
frenado y el mantenimiento del sistema de dirección. Este
enfoque se sustenta en el fundamento teórico que describe
las distintas partes que componen cada sistema, además
de estar alineado con la normativa actual de la FEDAK.
El proyecto surge como respuesta a las limitaciones
de los sistemas de dirección, suspensión y frenos estándar
del vehículo Suzuki Forza 1, los cuales no aseguran un
desempeño adecuado. Por consiguiente, se busca
implementar mejoras personalizadas en vehículos de
competencia, con el objetivo de potenciar su rendimiento.
Gracias a los avances tecnológicos actuales, es posible
optimizar estos sistemas de manera conjunta para obtener
resultados óptimos. En este contexto, se considera la
realización de un prototipo que exhiba las mejoras
aplicables al vehículo Suzuki Forza 1 mediante las nuevas
tecnologías, cumpliendo con las normativas vigentes en
Ecuador.
Para llevar a cabo este proyecto, se utilizan los
fundamentos de ingeniería en cada sistema, incluyendo
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capacidades, dimensiones, tolerancias, especificaciones y
el posicionamiento adecuado antes de la construcción e
instalación de los elementos a reemplazar. Una vez
completado el análisis preliminar, se realizarán ensayos
no destructivos utilizando líquidos penetrantes para
identificar posibles imperfecciones en las superficies.
Esto garantizará un nivel de calidad óptimo para el
rendimiento de las piezas.
Los resultados obtenidos permiten desarrollar un
vehículo que cumpla y supere los estándares establecidos
por la Federación Ecuatoriana de Automovilismo y
Kartismo, para participar en circuitos de competición
dentro de Ecuador.
Los laminados de fibra de carbono son ampliamente
utilizados en la fabricación de elementos estructurales
primarios especialmente críticas para los materiales
compuestos laminados debido a que estos daños no
suelen ser visibles a simple vista y podrían modificar en
gran medida el comportamiento de la estructura. [1] [2],
y desde hace unos años se está evaluando su uso en la
fabricación de vehículos comerciales, obteniéndose
reducciones de peso de los vehículos. [3]
No obstante, el empleo de estos laminados conlleva
ciertos desafíos debido a su propensión a la fractura
frágil, siendo este aspecto particularmente crítico en el
diseño de elementos destinados a la absorción de energía.
Con la reducción en el costo de los materiales de
carbono/epoxi y la introducción de nuevos métodos de
fabricación orientados a la producción en serie, el análisis
del comportamiento de los tubos fabricados con estos
materiales frente a impactos ha adquirido una relevancia
significativa en la actualidad. [4]
El método más apropiado para analizar la respuesta de
estos elementos es el ensayo de flexión en tres o cuatro
puntos, ya que proporciona una representación fiel de su
estado de carga. Durante una colisión, la estructura
experimenta cargas dinámicas, lo que demanda la
realización de ensayos de impacto para comprender
adecuadamente este fenómeno. La evaluación del
impacto implica el uso de dispositivos experimentales
específicos, como pistolas de gas y torres de caída, así
como de equipos de medición sofisticados, como cámaras
de alta velocidad.
Si bien algunos autores han investigado la capacidad
de absorción de energía de elementos tubulares sometidos
a cargas de flexión, estos estudios suelen considerar
únicamente las cargas estáticas. Palmer et al. [5] Lim y
Lee llevaron a cabo un análisis de los elementos tubulares
de sección cuadrada ubicados en la puerta de un vehículo,
los cuales fueron fabricados con diferentes laminados de
vidrio/epoxi. Su estudio implicó tanto ensayos estáticos
como simulaciones numéricas, centrándose en el fallo
progresivo que se manifiesta en un tubo de sección
cuadrada sometido a cargas estáticas durante un ensayo
de flexión en tres puntos. Los resultados revelaron que el
fallo comienza en las esquinas de la sección. En este
trabajo, se evaluó la capacidad de absorción de energía de
estos elementos tubulares de sección cuadrada cuando se
someten a impactos de baja intensidad. [6]
II MÉTODOS Y MATERIALES
Método de selección del disco de freno delantero: Se
plantearon las condiciones bajo las cuales el disco de
freno operará, utilizando propiedades del material hierro
fundido para su análisis.
El aire ambiente a 20 grados centígrados fluye sobre
la superficie exterior de un disco de freno de 215 mm de
diámetro, alcanzando una temperatura de 73 grados
centígrados y una velocidad de 16.66 m/s. Se busca
determinar la fuerza total de resistencia al movimiento y
la tasa de transferencia de calor por unidad de ancho de
la placa para el disco completo.
El flujo de aire sobre la placa plana exige calcular
tanto la fuerza total de resistencia al movimiento como la
tasa de transferencia de calor por unidad de ancho de la
placa. Se asume que el flujo es estacionario.
Se considera que el número de Reynolds crítico es
RE=5x10^5, y que el flujo es estacionario e
incompresible [7]
Las propiedades del aire a la temperatura de película
son:
Figura 1. Regiones de análisis para flujo en una placa plana
Cálculo de propiedades del disco y fluido circundante
Se utiliza los valores del apéndice A-15 del libro de
transferencia de calor y masa de Yunes y Cengel para
conocer las propiedades del aire a la temperatura
necesaria para nuestro análisis. [8]
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Figura 2. Apéndice de propiedades del aire
De la tabla se utiliza el valor calculado de
temperatura de película para obtener los valores
necesarios para el cálculo del índice de transferencia de
calor y la potencia
Para el cálculo de numero de Reynolds para el final de
la placa se tiene:
El número es mayor al número de Reynolds crítico,
por consiguiente, se tiene que el flujo sobre el disco de
freno es turbulento y el coeficiente de fricción promedio
es de
Para el cálculo de la fuerza de arrastre que actúa por
unidad de ancho tenemos
Calculado el número de Nusselt para el flujo
turbulento, calculó del coeficiente de transferencia de
calor por convección
Para realizar el cálculo de la potencia disipada
partimos del valor obtenido del coeficiente de
transferencia de calor por convección del disco
Partiendo de estos datos obtenidos en relación al
tiempo real promedio en el cual se acciona el pedal de
freno de 3s se realiza una simulación la cual indica cual
es el comportamiento del disco de freno en estas
condiciones.
La simulación se realizará en ambos discos de frenos
para demostrar su comportamiento al análisis
Figura 3. Valores típicos del coeficiente de transferencia de calor por
convección
Para justificar los valores obtenidos podemos verificar
en los valores típicos del coeficiente de transferencia de
calor por convección y nuestro resultado está dentro de
los parámetros de la convección forzada de gases siendo
correcto
Estos valores sirven para realizar la simulación de tipo
térmica para ver las zonas de temperatura que ha
adquirido el disco en su funcionamiento y que tan bueno
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es el uno con respecto al otro disipando el calor
Figura 4. Introducción de parámetros para simulación
Figura 5. Curva de tiempo asignada 3s
Aplicación de las cargas térmicas en las superficies del
disco de freno
Figura 6. Aplicación de la temperatura ambiente y el coeficiente de
transferencia de calor para el disco perforado y ranurado
Figura 7. Aplicación de la potencia calorífica aplicada en las zonas de
contacto con las pastillas de freno
Figura 8. Aplicación de la temperatura ambiente y el coeficiente de
transferencia de calor para el disco solido
Figura 9. Aplicación de la potencia calorífica aplicada en las zonas de
contacto con las pastillas de freno
Diseño del sistema para determinar las cargas
ejercidas en la suspensión
Etapa que detalla la implementación del sistema web
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desarrollado para trabajo de titulación.
Desarrollo del sistema web para la digitalización de
procedimientos de planificación y mantenimiento
aeronáutico:
1) Configuración de herramientas
2) Codificación del sistema web
Para determinar la carga que soportara el
sistema de suspensión en cada rueda o en la parte
posterior o delantera. Se usará los pesos obtenidos a
través del uso de las balanzas las cuales arrojaron un
valor de peso en cada rueda como se muestra en la Tabla
1.
Figura 10. Cálculo de peso
Tabla 1. Pesos correspondientes a cada rueda
Rueda
Peso
Delantera
Izquierda
209.5 kg
Delantera
Derecha
185.5 kg
Trasera
Izquierda
128 kg
Trasera
Derecha
115.5kg
Peso total
638.5 kg
Cargas en la suspensión frontal
Para obtener la carga en la parte frontal del vehículo
se sumarán los valores las llantas delanteras antes de
elevarlo o se los valores de W1 y W2
Cargas en la suspensión posterior
De igual manera que en la parte frontal se usara el peso
del vehículo en las ruedas posteriores del mismo con el
fin de obtener la fuerza en la suspensión posterior del
vehículo.
Carga Total
Diseño de base delantera de suspensión variable
Se usará de material base la plancha de acero
1220x2440, la cual tiene la calidad de ASTM A36 y un
espeso de 8 mm
Figura 11. Plano en 2D
Diseño 3D de la base está en la figura 12, con el fin de
posteriormente realizar el análisis de cagas que soporta la
base.
Figura 12. Diseño 3D
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Se verifica el comportamiento de la base regulable de la
suspensión en la rueda izquierda del vehículo, ya que en
cada rueda se tiene diferentes cargas. Antes de ejecutar
estudio se debe aplicar el material de la base regulable de
la suspensión para poder tener valores reales.
Figura 13. Estudio de Pieza
La base tendrá sujeciones fijas las cuales estarán unidas
mediante pernos en la carrocería del vehículo
Figura 14. Sujeciones modeladas
Cargas en la base rueda izquierda
Se aplica las cargas las cuales ya se calculó anteriormente
mediante fórmulas y el peso del vehículo en cada rueda.
Se coloca en el programa la carga de 2055.195 N que
soporta la suspensión en la parte delantera izquierda.
Figura 15. Soporte suspensión
III. PRUEBAS Y RESULTADOS
Los discos de frenos rayados y perforados instalados
presentan una mejor ventilación y disipación de calor
teniendo en los discos solidos una temperatura de la
superficie externa de contacto un temperatura de 103 ℃
y en el disco perforado y rayado una temperatura de
90.6℃ siendo este un claro ejemplo de la mejora en la
disipación de calor y el coeficiente de fricción pero
también tienen la tendencia a calentarse más rápido ya
que tienen menos superficie y volumen siendo la
temperatura mínima de 35.9 ℃ en el disco perforado y
35.4℃ en el disco sólido.
Tenemos una mejora de un 12 % en la disipación de calor
eliminando puntos calientes en el disco
Figura 16. Resultado de la simulación en el disco solido
Simulación de esfuerzos de la base delantera de
suspensión variable.
Figura 17. Factor de seguridad
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El factor de seguridad es de gran importancia para el
diseño de elementos que trabajaran bajo cargas, en este
caso la base regulable de la suspensión de la rueda
izquierda tiene un factor de seguridad de 11.
Cargas en la base rueda derecha
Se realiza el análisis en la base regulable de la suspensión
de la rueda derecha del vehículo, en el cual se tomará el
dato calculado de la carga que tiene esta rueda.
Modificaciones de los elementos del sistema de
suspensión
Se realiza el reemplazo de elementos de la suspensión
original del vehículo por elementos de alto rendimiento,
los cuales ayudaran a mejorar la estabilidad y el
rendimiento del vehículo cuando este participe en una
competencia de circuitos, además se realizaron varias
modificaciones las cuales disminuyo la altura del
vehículo y mejoro el radio de giro del vehículo, además
de tener una suspensión can mayor rigidez y regulable.
[9]. Las modificaciones en el sistema de suspensión son
las siguientes:
Muelles helicoidales en las cuatro ruedas
Recorte del vástago del amortiguador
Colocación de una base regulable de la espiral
Colocación de una base regulable de Camber y
Caster en la suspensión frontal
Cambio de Muelles y colocación de base regulable
Se cambio los muelles helicoidales o espirales de la
suspensión de las cuatro ruedas por unos espirales de alto
rendimiento. Estos espirales ayudaran a soportar las
fuerzas que se producen cuando el vehículo se desplace
altas velocidades [10] .
Cambio de espiral y colocación base regulable
Primero se modificó el sistema de suspensión posterior
del vehículo los cuales se realizó el remplazo de algunos
elementos
Figura 18. Modificación de la suspensión
Al remplazar los muelles helicoidales por unos muelles
de alta resistencia y mayor rigidez y colocar las bases
regulables en el amortiguador, se pudo tener mayor
rigidez en la suspensión y también un menor recorrido del
vástago del amortiguador y esto favorece al vehículo, ya
que su fin es para competencias de circuito donde las estas
son de pavimento. Al tener un menor recorrido y una
mayor compresión del muelle se puede tener un mayor
control del vehículo y también menores fuerzas de
empuje, cabeceo y bamboleo. Esto es de gran veneficio
para el vehículo al momento de competir.
Modificación de la altura del vehículo
Mediante la modificación de la suspensión también se
realizó la disminución de la altura del vehículo y con esto
también su centro de gravedad como se puede ver
Figura 19. Altura inicial
La altura del vehículo con suspensión modificada
disminuyo [10] en comparación a la altura inicial, esta
disminución ayuda a que el vehículo sea más estable en
curvas y una velocidad optima en rectas.
Figura 20. Altura final
IV. CONCLUSIONES
Al reemplazar los muelles helicoidales y colocar
bases regulables de estos mismos, la altura del
vehículo disminuyo en la parte posterior de 33 cm a
31 cm y en la parte delantera de 34.5 cm a 29.5 cm y
por lo cual se tiene un centro de gravedad menor y así
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mejorar la estabilidad del vehículo cuando participe
en competencia de circuito.
Se regulo el Camber y Caster del vehículo en donde
se dejó un ángulo Camber negativo de 2.9° con el fin
de favorecer la adherencia de los neumáticos en las
curvas a la superficie de la pista y un ángulo de Caster
positivo de 3.07° con el fin de estabilizar al vehículo
cuando este se desplace a altas velocidades.
Se construyó y reemplazó las bases superiores de la
suspensión del vehículo por unas bases regulables que
ayudan a regular el Camber y Caster de las ruedas
delanteras del vehículo.
Los discos de frenos rayados y perforados instalados
presentan una mejor ventilación y disipación de calor
teniendo en los discos solidos una temperatura de la
superficie externa de contacto un temperatura media
de 60 ℃ y en el disco perforado y rayado una
temperatura de 42℃ siendo este un claro ejemplo de
la mejora en a disipación de calor y el coeficiente de
fricción pero también tienen la tendencia a calentarse
más rápido ya que tienen menos superficie y volumen
siendo la temperatura mínima de 35.9 ℃ en el disco
perforado y 35.4℃ en el disco sólido.
Se ha implementado el disco de freno perforado en el
sistema de frenos en el vehículo ya que presenta una
mejor disipación del calor para mantener un frenado
optimo durante la conducción y una mejor disipación
de los gases por la combustión de las resinas de las
pastillas y el disco de freno gracias a la presencia de
orificios y ranuras los cuales nos permiten expulsar
rápidamente estos gases restableciendo todo el
tiempo las condiciones de frenado optimo con su uso.
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Racing, 04 Septiembre 2018. [En línea]. Available:
https://www.motoryracing.com/pruebas/noticias/lo-
nuevo-en-piezas-de-fibra-de-carbono-en-la-
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[2] KNAUF INDUSTRIES, «Fibra de carbono
en la industria,» KNAUFINDUSTRIES, 25
Noviembre 2022. [En línea]. Available:
https://knaufautomotive.com/es/fibra-de-carbono-
kevlar-grafeno/. [Último acceso: 18 Marzo 2022].
[3] B. Basco, «Así se utiliza la fibra de carbono
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línea]. Available: https://noticias-
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automovil/. [Último acceso: 18 Marzo 2022].
[4] A. J. Suárez, «Materiales compuestos de
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[5] D. Gutierrez, «Estudio sobre la capacidad de
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[8] Y. A. Cengel, Mecanica de Fluidos,
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[9] Globaltech Ecuador, «Camber y Caster,»
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corregir-el-camber-y-caster-globaltechecuador-
e3wze/?originalSubdomain=es.
[10] Matamoros, B., Stalin, C., & Palma Corrales, E.
D. Análisis y optimización de los sistemas de
dirección, suspensión y frenos de un Suzuki G10
SOCH para aplicación en un Supercrosscar.
