(
Energía Mecánica Innovación y Futuro, IV Edición 2015, No.13 (13)
Página - 102 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (13/13)
RESUMEN
Se describe la aplicación de la bra de yute en
la construcción de carrocerías para vehículos
Fórmula SAE. El desarrollo de esta investigación
considera la implementación de nuevos materiales
aplicados a la industria automotriz. Se interpreta
los valores de las propiedades mecánicas de los
tipos de bras naturales como son lino, cáñamo,
yute, kenaf, ramio, sisal, carauá, abacá, bra de
vidrio. Para decidir la aplicabilidad de la bra de
yute, se realiza una matriz de ponderación donde se
valora cualitativamente las características de cada
una de las bras naturales anteriormente citadas.
Usando el software SolidWorks SP3 2014 se
realiza un análisis computacional de la carrocería
de bra de yute para determinar el ujo de aire.
Al nal del documento se encuentra descritas
conclusiones de la aplicabilidad de la bra de yute
en la construcción de carrocerías.
Palabras Clave: Carrocería, bra de yute,
Fórmula SAE.
APLICACIÓN DE FIBRA DE YUTE EN LA CONSTRUCCIÓN DE CARROCERÍAS PARA
VEHÍCULOS FÓRMULA SAE
APPLICATION OF JUTE FIBER IN THE CONSTRUCTION OF CAR BODIES FRMULA
SAE
1
Henry Heriberto Iza Tobar,
2
Leonidas Antonio Quiroz Erazo,
3
Marcelo Fabián Salazar Corrales
1-2-3
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Latacunga, Latacunga, Ecuador
E-mails:
1
hhiza@espe.edu.ec,
2
laquiroz@espe.edu.ec,
3
mfsalazar@espe.edu.ec.
ABSTRACT
The application of jute ber in the construction
of vehicle bodies for Formula SAE described.
The development of this research considers the
implementation of new materials applied to the
automotive industry. The values of the mechanical
properties of the types of natural bers such as
ax, hemp, jute, kenaf, ramie, sisal, carauá, abaca,
berglass is interpreted. To decide the applicability
of jute ber, a weight matrix which qualitatively
evaluates the characteristics of each of the above
natural bers is performed. Using the software
SolidWorks 2014 SP3 computational analysis
of jute ber body is performed to determine the
airow. At the end of the document is described
ndings of the applicability of jute ber body
construction.
Keywords: Car body, jute bre, formula SAE.
Iza H., Quiróz L., Salazar M. /
APLICACIÓN DE FIBRA DE YUTE EN LA CONSTRUCCIÓN DE CARROCERÍAS PARA VEHÍCULOS FORMULA SAE
(
Página - 103 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (13/13)
Iza H., Quiróz L., Salazar M. /
APLICACIÓN DE FIBRA DE YUTE EN LA CONSTRUCCIÓN DE CARROCERÍAS PARA VEHÍCULOS FORMULA SAE
1. INTRODUCCIÓN
Una de las importantes competencias estudiantiles
de pregrado y posgrado en distintas áreas de
la ingeniería es la Formula SAE (Society of
Automotive Engineers) en donde, se plantea el
desafío de diseñar, fabricar desarrollar y competir
con vehículos tipo fórmula. La libertad de expresar
la creatividad e imaginación son evaluadas en
estas competencias. El reto para los diferentes
equipos participantes es que puedan competir
con éxito en pruebas como son: [1]. un plan de
negocios, reporte de costos, reporte de diseño,
de deslizamiento, de obstáculos, de resistencia,
de eciencia de combustible y para el 2015 la
Formula SAE propone pruebas de conguración
del vehículo, dispositivos aerodinámicos. [2].
Desde el 2011, el equipo de competencia FESPE
(Formula ESPE) ha representado a Ecuador
en Alemania en la pista de Hockenheim Ring,
habiendo adquirido experiencias enriquecedoras
para el equipo y para el país, las mismas han
permitido que se pueda ir innovando tanto en
ingeniería de diseño y materiales utilizados para la
construcción del vehículo.
El uso de materiales compuestos está presente en
casi todo el diseño de los vehículos de competencia,
tal es el caso de la existencia de bastidores y
carrocerías de bra de carbono, soportes de
aluminio de alta resistencia, acero para discos de
freno, atenuadores tipo “panales de abeja”.
La necesidad de usarlos de una manera adecuada
en cada uno de los componentes del vehículo es
vital para que el vehículo tenga una eciencia de
combustible y por ende el puntaje necesario en la
competencia.
La carrocería del vehículo según la reglamentación
de la Formula SAE hasta el 2014 no tiene ninguna
restricción tanto en el material como en el diseño
pero, para el 2015 ya existe un apartado en donde
se ve involucrado la aerodinámica por ende la
carrocería del vehículo.
La reducción de peso del vehículo se ha considerado
como uno de las soluciones más importantes para
mejorar la economía de combustible, la reducción
peso potencia y llegar a tener pocas o nulas
emisiones contaminantes. Se cree que el peso del
cuerpo del vehículo se puede reducir por el uso de
múltiples materiales y sin aumento de coste.
Carrocerías de vehículos ligeros han utilizado
aceros de alecciones de alta resistencia y bajo
peso, aleaciones de aluminio [3]. Dentro de las
consideraciones previstas para la construcción de
la carrocería del vehículo Formula SAE se tiene:
la optimización del material a utilizar en función
de su peso, las propiedades mecánicas de los
materiales, el espesor, costo de los mismos.
Por lo descrito anteriormente, se crea la necesidad
de utilizar nuevos materiales compuestos con bras
naturales que reemplacen a los ya utilizados en la
elaboración de la carrocería para los vehículos
de la Formula SAE, aportando también con el
desarrollo productivo del país.
Los nuevos materiales aportan ventajas, tanto
desde el punto de vista de economía y facilidad en
el transporte y ensamble, sin olvidar la reducción
de cargas muertas cuando se utilizan de modo
integral o masivo. [4].
De la gran variedad de materiales compuestos
que existen en el mercado, se puede describir que
estos son formados por matrices orgánicas (epoxi,
vinilester, poliéster) y bras de alta resistencia
(vidrio, carbono, aramida, bras naturales, etc.),
(
Página - 104 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (13/13)
importante en aplicaciones donde la reducción
de peso es una prioridad. Por lo tanto, no es
sorprendente que las bras naturales se utilicen
como refuerzo para matrices de polímeros que
reemplazarán las bras de vidrio convencionales
[5]. En la Figura 1 se puede observar que todas las
bras naturales tienen una densidad baja y casi los
mismos valores a comparación que con la bra de
vidrio. Por otro lado, cuando se utilizan materiales
compuestos que contienen bras naturales,
hay benecios adicionales obtenidos como un
comportamiento ecológico mejorado debido a la
menor densidad de la bra natural en comparación
con el vidrio [6].
Los productos hechos de materiales compuestos
reforzados con yute tienen la ventaja de bajo costo,
baja densidad, renovabilidad y biodegradabilidad.
Estos compuestos pueden ser utilizados en la
industria del embalaje, es decir, la fabricación
considerándose a estos como los más desarrollados
y utilizados a nivel industrial. [5].
2. MATERIALES Y MÉTODOS.
La necesidad de desarrollar tecnologías limpias
debido al deterioro ambiental ha hecho que se
busquen alternativas al uso de nuevos materiales,
los mismos que puedan reemplazar a los ya
tradicionales y que mejor forma que hacerlo con
bras naturales. En el Ecuador el desarrollo de
materiales compuestos se encuentran en su etapa
inicial, por ende, el uso de bras naturales todavía
es limitado [4]. Los jueces de las competencias
de la Formula SAE, dentro de sus evaluaciones
calican la innovación que haga el equipo al
vehículo por tal motivo, el uso de bras vegetales
como elemento constructivo sería algo novedoso
para su aplicación. Guerrero (2011) describe
algunas propiedades mecánicas mostradas en la
Tabla 1. El costo es una de las referencias que los
autores del artículo han anexado en base a una
investigación de campo realizado en julio 2014.
Densidad
En varias bras como el lino, yute y cáñamo tiene
su densidad que aproximadamente es el doble
de las de bras de vidrio. Esto es particularmente
Figura 1. Densidad de las bras naturales.
Iza H., Quiróz L., Salazar M. /
APLICACIÓN DE FIBRA DE YUTE EN LA CONSTRUCCIÓN DE CARROCERÍAS PARA VEHÍCULOS FORMULA SAE
(
Página - 105 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (13/13)
de jaulas, cajas o estuches utilizados para el
almacenamiento y transporte de productos
agrícolas, en la industria del automóvil para
para sustituir la bra de vidrio en puertas de
automóviles, y como material de construcción [7].
Resistencia a la tensión, módulo de Young y
elongación
Los materiales con alta rigidez y resistencia
especíca serán considerados en aplicaciones
en donde el peso será un factor crítico para ser
utilizado. No existe una bra óptima que supere
los valores de resistencia a la tensión de la bra de
vidrio como se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Resistencia a la tensión de las bras naturales.
Generalmente, la resistencia a la tracción y
el módulo de Young de las bras aumenta al
incrementarse también el contenido de celulosa.
El ángulo microbrilar determina la rigidez de las
bras. Las bras vegetales son más dúctiles si el
microbrilar tiene una orientación espiral al eje
de la bra. Si se orientan las microbras paralelas
al eje de la bra, estas serán rígidas, inexibles,
presentando una alta resistencia a la tracción. [8].
En la Figura 3 se indica que el módulo de Young
del ramio presenta un valor alto a comparación de
las otras bras inclusive con la de vidrio por tanto
este material será el que menos se deforme, el yute
y el sisal representan los valores más bajos del
módulo de Young. La elongación es representativa
para las bras ya que la elongación de la bra
indica un tipo de deformación que se la puede
tener luego de aplicarle una carga, en la Figura 4.,
se observa que el sisal tiene una elongación muy
elevada comparándola con otras bras.
Figura 3. Módulo de Young de las bras naturales.
Figura 4. Porcentaje de elongación de las bras naturales.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la Tabla 2., se ha realizado una valoración de
las propiedades mecánicas y el costo de la bra,
como criterio de evaluación se ha señalado tres
indicadores de ponderación, siendo alto un valor
correspondiente a 1 y 0 que corresponde a una
cualidad baja de la bra.
Al realizar la ponderación se determinó que una de
las bras que se puede utilizar en reemplazo de la
de vidrio es la de yute, su facilidad de adquisición
Iza H., Quiróz L., Salazar M. /
APLICACIÓN DE FIBRA DE YUTE EN LA CONSTRUCCIÓN DE CARROCERÍAS PARA VEHÍCULOS FORMULA SAE
(
Página - 106 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (13/13)
y manejo permite ser una alternativa para la
construcción de la carrocería del vehículo.
En la Tabla 2., se ha realizado una valoración de
las propiedades mecánicas y el costo de la bra,
como criterio de evaluación se ha señalado tres
indicadores de ponderación, siendo alto un valor
correspondiente a 1 y 0 que corresponde a una
cualidad baja de la bra.
Al realizar la ponderación se determinó que una de
las bras que se puede utilizar en reemplazo de la
de vidrio es la de yute, su facilidad de adquisición
y manejo permite ser una alternativa para la
construcción de la carrocería del vehículo.
Requerimientos de la carrocería del vehículo.
La resistencia del aire es importante para el
desempeño del vehículo. La mayoría de los
automóviles producen sustentación y conforme
la velocidad aumenta, este esfuerzo convierte al
auto inestable. Una forma de contrarrestar este
inconveniente es generar una sustentación negativa
en donde la forma y diseño de la carrocería es
importante para el desempeño del vehículo, esta
sustentación negativa debe distribuirse entre
la parte delantera y trasera del vehículo. Dos
coecientes deben ser analizados para el diseño
de una carrocería, estos son el de arrastre y de
sustentación. El coeciente de arrastre es la fuerza
que se opone al desplazamiento del vehículo en el
eje X y la componente en el eje Y que tiende a
elevar al vehículo se la llama sustentación. Estos
coecientes se visualizan en la Figura 5.
Figura 5. Coeciente de arrastre y sustentación
Análisis y simulación por computador de la
carrocería.
Una de las dicultades en la construcción de
la carrocería es que no se tenga condiciones
físicas para poder determinar su eciencia en el
funcionamiento del vehículo como componente
en condiciones aerodinámicas. Para este caso de
la aplicación y construcción de la carrocería se ha
utilizado SolidWorks. El procedimiento a realizar
es el siguiente:
• Elaboración del boceto de la carrocería del
vehículo: Se realiza el boceto tomando las
Iza H., Quiróz L., Salazar M. /
APLICACIÓN DE FIBRA DE YUTE EN LA CONSTRUCCIÓN DE CARROCERÍAS PARA VEHÍCULOS FORMULA SAE
(
Página - 107 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (13/13)
medidas luego de haber hecho la construcción
del bastidor del vehículo utilizando el software
se representa a la carrocería como se muestra
en la Figura. 6.
Figura 6. Boceto de la carrocería del vehículo.
• Análisis del ujo de aire: para ello se tomó en
cuenta las condiciones ambientales de la pista
de Hockenheim Ring, donde la temperatura
ambiente de la pista promedio es de 20°C,
la presión atmosférica es de 98 900 Pa. Para
crear el material se tomó la densidad de la bra
de yute que es de 1.49 g /cm3 y el módulo
de elasticidad que es 26 500 000 000 Pa.,
valores que fueron transformados a unidades
requeridas por el programa.
• Los resultados obtenidos permiten visualizar
que no existen problemas de sustentación y
arrastre ya que la altura del vehículo no supera
los cinco centímetros por ende la presión
ejercida hace que el vehículo se pegue al suelo,
esta representación se muestra en la Figura. 7.
Se hizo la comparación de material con bra de
vidrio con las condiciones de pista no se tuvo
variación de la presión ejercida, encontrándose
un valor de aceptable de 101 432.79 Pa., como
valor presente en la parte delantera de la
carrocería mostrado en la Figura. 8.
Proceso a aplicar en la construcción de la carro-
cería del vehículo formula SAE
Debido a la facilidad de manejo de la bra y
adquisición de materiales a utilizar la estraticación
manual es uno de los procesos más empleados
para la elaboración de este tipo de componentes
vehiculares. Es la técnica más simple y tradicional
para la obtención de materiales compuestos de
matriz termoestable. Las matrices más comunes
son: poliésteres, resinas epóxicas y fenólicas. La
resina poliéster, frecuentemente usada por el bajo
costo, tiene un contenido de estireno monómero
entre 30 y 50% en peso. Como iniciador de la
reacción se utiliza octato de cobalto y como
catalizador peróxido de metiletil cetona [6].
Este método fue seleccionado por la facilidad e
aplicación, su costo bajo y la disponibilidad de
Figura 7. Resultados de la simulación bra de yute
Figura 8. Resultados de la simulación bra de vidrio.
Iza H., Quiróz L., Salazar M. /
APLICACIÓN DE FIBRA DE YUTE EN LA CONSTRUCCIÓN DE CARROCERÍAS PARA VEHÍCULOS FORMULA SAE
(
Página - 108 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (13/13)
materiales.
Proceso de fabricación.
Para la realización de la carrocería, se siguió el
proceso mostrado en la Figura. 9.
Figura 9. Proceso para la fabricación de la
carrocería de matriz poliéster reforzado con
bra de yute
La preparación del molde es importante, este se
construyó con bra de vidrio y madera para dar
la forma de la carrocería, se muestra en la Figura.
10. Al tener el molde ya fabricado se coloca cera
desmoldante tal como se muestra en la Figura. 11,
con la nalidad que se pueda retirar la carrocería al
nalizar el secado.
Figura 10. Molde de la carrocería.
Figura 11. Colocación de la cera desmoldante.
Figura 12. Colocación de la bra de yute y resina.
Como matriz se empleó resina poliéster insaturada;
el iniciador del proceso de curado de la resina fue
octoato de cobalto y el catalizador, peróxido de
metil-etil cetona (MEKP) esto de muestra en la
Figura 12. Como refuerzo se utilizó dos capas de
bra de yute. La composición se indica en la Tabla
3.
Iza H., Quiróz L., Salazar M. /
APLICACIÓN DE FIBRA DE YUTE EN LA CONSTRUCCIÓN DE CARROCERÍAS PARA VEHÍCULOS FORMULA SAE
(
Página - 109 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (13/13)
Figura 13. Carrocería de bra de yute.
Tabla 3. Cantidades de resina, octoato de cobalto, MEKP y bra
tejida, utilizados para el material compuesto.
Se dejó secar por 5 días para lograr una mejor
consistencia y forma de la carrocería. Con estas
consideraciones, se obtuvo la carrocería que se
puede visualizar en la Figura. 13.
Tabla 4. Comparación de carrocerías fabricadas
Evaluación de la carrocería de yute construida
con otras de diferente material.
Luego de realizado el análisis de cada uno de los
materiales, se puede determinar que la bra de
yute y todas las bras naturales presentan una baja
resistencia mecánica, por tal motivo la estructura
que se desea construir no debe estar sometido a
mayores cargas.
Este tipo de carrocerías al servir como protección
del vehículo y tener una componente aerodinámica
se ha determinado mediante simulación mostradas
en las Figuras. 7 y 8., que las presiones encontradas
y las líneas de ujo no afectan signicativamente
a su estructura, lo que sí es importante destacar
Iza H., Quiróz L., Salazar M. /
APLICACIÓN DE FIBRA DE YUTE EN LA CONSTRUCCIÓN DE CARROCERÍAS PARA VEHÍCULOS FORMULA SAE
(
Página - 110 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (13/13)
es la reducción de peso y espesor con relación
a carrocerías anteriores que poseen similares
características de diseño. Esto se puede evidenciar
en la Tabla 4.
Tabla 5. Ventajas y desventajas del uso de bra de vidrio con refuerzos metálicos y de
aluminio con bras de yute
En la tabla 5 se describe las ventajas y desventajas
del uso de la bra de vidrio y yute.
4. CONCLUSIONES
• Es factible la utilización de bras naturales
como la de yute en aplicaciones automotrices.
• No existe variación de presiones en las
simulaciones de bra de vidrio y yute, por
tal razón se puede ver una ventaja de la bra
natural en función del peso.
• La selección del material o la bra natural
a utilizar, dependerá de los requerimientos
propios de la aplicación a realizar.
• El costo total de producción de la carrocería de
bra de vidrio, tuvo una reducción del 50% en
comparación de la de yute.
• El peso de la carrocería de yute comparándola
con la de bra de vidrio se redujo en un 44%.
REFERENCIAS
[1] Formula SAE Rules, 2014.
[2] Formula Student Combustion, 2014.
[3] X. Cui, H. Zhang, S. Wang, L. Zhang y J.
Ko, «Design of lightweight multi-material
automotive bodies using new material,»
ScienceDirect, 2010.
[4] H. Villacis, Obtención de materiales compuestos
híbridos de matriz poliéster reforzados con
Fibra de Vidrio y abacá mediante estraticación,
Quito: EPN, 2011.
[5] A. Morales y M. Ponce, Materiales reforzados
de poliolenasrecicladas y nanobras de
celulosa de Henequén, México: Instituto
Tecnológico Ciudad de México, 2011.
[6] V. Guerrero, J. Dávila, S. Galeas, P. Pontón, N.
Rosas, V. Sotomayor y Valdivieso, NUEVOS
MATERIALES, Quito, 2011.
[7] S. Kalia, B. S. Kaith y I. Kaur, CELLULOSE
FIBERS: Bio - and Nano-Polymer Composites,
India: Springer, 2011.
[8]F. Arcentales, V. Guerrero, Obtención de
materiales compuestosw híbridos de matriz
poliéster reforzada con bra de coco y de vidrio
para la elaboración de tableros. Quito, 2011.
Iza H., Quiróz L., Salazar M. /
APLICACIÓN DE FIBRA DE YUTE EN LA CONSTRUCCIÓN DE CARROCERÍAS PARA VEHÍCULOS FORMULA SAE
(
Página - 111 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (13/13)
Registro de publicación:
Fecha de recepción 18 de agosto 2015
Fecha aceptación 28 noviembre 2015
[9]A. Mohanty, M. Misra y L. Drzal, Natural
bers, biopolimers and biocomposites. Estados
Unidos: Taylor & Francis Group, 2005.
BIOGRAFÍA
1 Iza Henry, Docente Tiempo
Parcial del Departamento
de Ciencias de la Energía
y Mecánica Ingeniero
Automotriz. Magíster en
Gestión de la Producción,
Con diplomado Superior
en Autotrónica y Docencia
Universitaria. Asistente y Coordinador de
Investigación del Proyecto FESPE.
2 Leonidas Quiroz, Magíster
en Gestión de Energías,
Diploma Superior en
Autotrónica, Ingeniero
Automotriz, Docente Tiempo
Completo, del Departamento
de Ciencias de la Energía y
Mecánica de la Universidad de
Fuerzas Armadas ESPE.
3 Fabián Salazar, Ingeniero
Automotriz, Magíster en
Gestión de Energías Maestría
Ejecutiva en Dirección
de Empresas Especialista
en Gerencia de Proyectos
Diplomado en Gerencia de
Marketing Diploma superior
en Gestión para el aprendizaje universitario.
Docente Tiempo Parcial, del Departamento de
Ciencias de la Energía y
Mecánica de la Universidad de Fuerzas Armadas
ESPE.
Iza H., Quiróz L., Salazar M. /
APLICACIÓN DE FIBRA DE YUTE EN LA CONSTRUCCIÓN DE CARROCERÍAS PARA VEHÍCULOS FORMULA SAE
