Diseno en Catia v5 de Una Moto de Competicion

DISEÑO EN CATIA V5 DE UNA MOTOCICLETA DE CARRERAS PROYECTO FIN DE CARRERA INGENIERÍA INDUSTRIAL

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERIA UNIVERSIDAD DE SEVILLA

AUTOR: VÍCTOR VALLEJO GONZÁLEZ TUTORES: MARÍA GLORIA DEL RIO CIDONCHA JUAN MARTÍNEZ PALACIOS FECHA: JULIO 2014

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González

ÍNDICE ÍNDICE ......................................................................................................... 2 Capítulo 1. Introducción y Objetivos .............................................................. 4 1.1

Introducción ..................................................................................... 4

1.2

Estructura del proyecto ...................................................................... 5

1.3

Objetivo ........................................................................................... 5

Capítulo 2. Introducción histórica al diseño asistido por ordenador .................... 6 2.1.

Antes de 1970 .................................................................................. 6

2.2.

1970-1980 ....................................................................................... 7

2.3.

1980-1990 ....................................................................................... 8

2.4.

1990-1999 ....................................................................................... 9

2.5.

2000 hasta la actualidad ...................................................................10

Capítulo 3. Introducción a las motocicletas y el motociclismo ...........................11 3.1.

Introducción histórica de la motocicleta...............................................11

3.2.

Componentes básicos de una motocicleta ............................................13

3.3.

Introducción histórica del motociclismo ...............................................16

Capítulo 4. Herramientas de representación gráfica ........................................20 4.1.

Comparación entre diferentes software comerciales ..............................20

4.2. CATIA V5 ........................................................................................23 Capítulo 5. Diseño de piezas ........................................................................28 5.1.

Llantas ............................................................................................29

5.2.

Chasis.............................................................................................35

5.3.

Amortiguación trasera .......................................................................41

5.4.

Piñón, plato y cadena........................................................................44

5.5.

Tornillería ........................................................................................48

5.6.

Otras piezas ....................................................................................51

Capítulo 6. Ensamblaje ...............................................................................61 6.1.

Rueda delantera ...............................................................................62

6.2.

Rueda trasera ..................................................................................64

6.3.

Chasis, subchasis y estriberas ............................................................67

6.4.

Otros conjuntos ...............................................................................71

Capítulo 7. Despiece y Animación ................................................................. 76 7.1.

DMU Kinematics: ..............................................................................76

7.2.

DMU Fitting .....................................................................................81

7.3.

Video ..............................................................................................89

Capítulo 8. Renderizado ..............................................................................91

2

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González Capítulo 9. Conclusión ................................................................................94 Capítulo 10. Bibliografía ................................................................................96

3


Capítulo 1. Introducción y Objetivos 1.1

Introducción

El proyecto, que aquí se presenta, consiste en el diseño 3D de una moto de carrera usando el programa CATIA V5 R20. Más concretamente, la moto a diseñar es un prototipo de Moto3 del equipo de motos de competición de la universidad de Sevilla, US-Racing Engineering. El equipo US-Racing Engineering está formado por alumnos de distintas facultades y escuelas de la Universidad de Sevilla, como son la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Sevilla, la Escuela Politécnica Superior de Sevilla, la Facultad de Comunicación y la Facultad de Ciencias del Trabajo. US-Racing Engineering está inscrito en la competición promovida por Moto Engineering Foundation, Motostudent.

Ilustración 1

Ilustración 2

Motostudent [1] es una competición entre equipos universitarios a nivel europeo y mundial, en el que los participantes tienen que diseñar, construir y probar una moto de carrera atendiendo a las especificaciones de una Moto3, es decir es obligatorio el uso de un motor de combustión interna alternativo de cuatro tiempos, monocilíndrico y con una capacidad de 250 cc. Como prueba final, se cita a todos los equipos en el circuito de velocidad Motorland (Alcañiz, Teruel) donde los prototipos son sometidos a distintas pruebas de fiabilidad estructural, frenada, manejabilidad y durabilidad.

4


1.2

Estructura del proyecto

La memoria se estructura en dos bloques. Un primero que está constituido por los primeros cuatro capítulos, donde se explica la evolución histórica del diseño asistido por ordenador (CAD) hasta la actualidad, además de una introducción histórica al mundo de la motocicleta y su paso a la competición. Se finaliza el bloque con una descripción más profunda del programa de diseño utilizado, CATIA V5, y los motivos por el que ha sido elegido frente a sus competidores en el mercado. El segundo bloque se centra en el trabajo de diseño, realizando una breve descripción de cada pieza, su funcionalidad dentro del conjunto, y en el caso de que sea necesario y el proceso de diseño haya sido lo suficientemente notable, una explicación de cómo se ha llegado a esa solución. Además se describe el ensamblaje final, y como se ha creado la animación del modelo final. Se finaliza el bloque con serie de imágenes foto-realistas o renders de la motocicleta creadas con el programa KeyShot.

1.3

Objetivo

El diseño completo de la moto es fundamental para el desarrollo del equipo US-Racing Engineering, ya que determina la geometría general, la disposición de todas y cada una de las piezas dentro del conjunto y la interacción entre ellas, además de definir e influenciar de una forma notoria en el proceso de fabricación. El hecho de que este proyecto se haya realizado dentro del marco de un equipo de competición conlleva una dificultad añadida, y es ser capaz de coordinar el trabajo de varios departamentos y lidiar con la exigencia propia de este tipo de equipos. Es por ello que, durante la etapa de diseño no sólo se modeló en CATIA, sino que era necesaria una atención constante a las exigencias de cada pieza y cada departamento, para finalmente llegar a una solución de compromiso entre todas las partes y cumplir los requisitos impuestos por el propio equipo y por la organización de la competición. Por lo tanto el objetivo del proyecto es diseñar el modelo final de la motocicleta de carrera del equipo US-Racing Engineering, para llegar a fabricarla y competir dentro de la competición Motostudent.

5


Capítulo 2. Introducción histórica al diseño asistido por ordenador1 La aparición del CAD (Computer Aided Design) supuso un enorme avance en el mundo del diseño. Éste tenía grandes ventajas frente al lápiz o la tinta:     

2.1.

Producción más rápida de dibujos. Mayor precisión. Mayor limpieza y facilidad de corrección. Mayor rapidez en el análisis y cálculo de los diseños. Posibilidad de integración en otras disciplinas, como por ejemplo el análisis en elementos finitos.

Antes de 1970

El primer sistema gráfico se crea a mediados de los 50, desarrollado por el laboratorio Lincoln del MIT (Massachusetts Institute of Technology). El US Air Force’s SAGE (Semi Automatic Ground Environment) air defence system

consistía en un sistema para mostrar la información computada por el radar junto con otras informaciones. En 1960, también en el MIT, Ivan Sutherland realiza un proyecto llamado SKETCHPAD, que se considera el primer paso hacia la industria del CAD. Otros proyectos paralelos se desarrollaban en ITEK y General Motors. El proyecto de ITEK se llamaba The Electronic Drafting Machine y la entrada de datos se realizaba con un lápiz de luz electrónico. Al principio los primeros programas de CAD consistían en simples algoritmos para mostrar modelos de líneas en dos dimensiones. El único intento significativo de crear un sistemas de CAD comercial lo realiza Control Data Corporation’s Digigraphics division, sucesora de ITEK. El sistema costaba medio millón de dólares y se vendieron muy pocas unidades. En 1965 el departamento de ingeniería de la Universidad de Cambridge decide meterse en el campo del CAD. Una de las primeras áreas de búsqueda fue cómo definir la intersección de dos cilindros. En 1968 1

Datos históricos consultados y traducidos de [13]

6

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González pensaban que los ordenadores podrían ayuda a los diseñadores a resolver los problemas del modelado de formas complejas en 3D; cuando en ese momento solamente había disponibles sistemas 2D básicos utilizables desde terminales conectados a un gran ordenador central.

2.2.

1970-1980

Al principio de de dibujo los 70 yvarias compañías ofrecer sistemas automatizados diseño. Muchas empiezan de estas aempresas son en realidad empresas orientadas a otros sectores, pero empiezan a emigrar a la industria gráfica, ya sea en su totalidad o bien un departamento en concreto. Ocurrió además un importante desarrollo en la mayoría de las empresas aeronáuticas y de automoción, tales como General Motors, Ford, Chrysler y Lockheed; que se pusieron a trabajar intensamente en el CAD/CAM. En 1971 se funda Manufacturing and Consulting Services Inc. y empieza a producir Arvil Express. Su fundador era diseñador en General Motors de DAC (Design Automated by computer), el primer sistema de producción de gráficos interactivos para la fabricación. En 1972 CUED (Cambridge University Engineering Department) consigue obtener dos máquinas de control numérico de 3 ejes, permitiendo utilizar el trabajo realizado para el CAD en el CAM. A finales de 1973 y principios de 1974 múltiples empresas se interesan en la creación de piezas usando un sistema CAD/CAM. A finales de los 70 aparecen los primeros programas de modelado sólido. Estos utilizan geometrías básicas, como esferas, cilindros y paralelepípedos; combinándolas usando operaciones booleanas. En 1977 Avions Marcel Dassault encarga a sus ingenieros la creación de un programa tridimensional e interactivo, el precursor de CATIA ComputerAided Three- Dimensional Interactive Application). Pasan así al modelado 3D. En 1979 Boeing, General Electric y NIST desarrollan un formato de archivo para el intercambio de información CAD/CAM Standard entre sistemas distintos.neutral El formato IGES (Initial Graphic Exchange ), se convertirá en el formato estándar de la industria y el más ampliamente aceptado para transferir información de superficies complejas. A finales de los 70 el típico sistema de CAD está constituido por un microordenador de 16 bits con un máximo de 512 Kb de memoria y sistema de almacenamiento con una capacidad de 20 a 300 Mb; a un precio de unos 125000 dólares. 7


2.3.

1980-1990

1981: Avions Marcel Dassault crea Dassault Systemes, y firma un acuerdo con IBM.

Unigraphics crea el primer sistema de modelado sólido UniSolid. 1982: Aparece CATIA Version 1, producto para el diseño 3D, modelado de superficies y programación de control numérico. Empiezan a aparecer ordenadores con mucha más potencia y menor coste; esto implica un gran paso adelante, pero no es hasta 1984 cuando la tecnología empieza a ser competitiva usando los métodos tradicionales. Durante muchos años en la industria aeronáutica se había estado diseñando utilizando computadoras; pero no hasta este momento cuando empieza a ser económicamente posible diseñar, por ejemplo utensilios domésticos con formas complejas 3D, usando ordenadores.

Autodesk es fundada en California por dieciséis personas por iniciativa de Jonh Walker. El objetivo era crear un programa de CAD a un precio de 1.000 $ que pudiese funcionar en un PC. En noviembre en Las Vegas se hace la primera demostración pública en el mundo de un programa de CAD que funciona en un PC. 1983: Aparece en el mercado Unigraphics II. Empiezan los trabajos para un nuevo sistema universal de transferencia de datos, llamado STEP (Standar for The Exchange of Product model data). STEP puede transferir información CAD incluyendo detalles complejos del modelado del producto, material y múltiples parámetros de diseño. El primer “traductor” disponible de STEP aparece rá en 1991. 1985: MicroStation proporciona CAD avanzado para PC. MicroStation había empezado

como

un

“clon”

de

otro

paquete

de

CAD;

llamándose

srcinalmente PseudoStation, permitiendo ver dibujos IGDS sin necesidad del software de Intergraph. La versión siguiente ya se llamó MicroStation y permitía editar los archivos IGDS. CATIA se convierte en la aplicación líder del sector aeronáutico. Su Version 2 incluye dibujo, sólidos y robotización completamente integrados. 1986: La versión 2.18 de AutoCAD incluye el completo lenguaje de programación AutoLISP. Este, es un lenguaje basado en el ASCII, permite a los usuarios escribir y grabar programas LISP que complementan de forma personalizada los comandos. 1988: Aparece Canvas 2.0, convirtiéndose en una potente herramienta del naciente mundo de los gráficos digitales. Esta versión incluye grandes 8

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González innovaciones como: curvas de Bezier de múltiples puntos, número de capas ilimitado, color de 32-bit, dibujo de precisión, separación por colores,... Se anuncia CATIA Version 3, con funciones de AEC (Architectural Engineering and Construction). CATIA se convierte en la aplicación líder del sector automovilístico. 1989: Unigraphics anuncia un compromiso con UNIX y arquitectura de código abierto.

2.4.

1990-1999

1990: Autodesk lanza AutoCAD Release 11, con soporte para red, lo que permite instalar una única copia del programa en un servidor de red. También aparece Auto Shade 2, un complemento para AutoCAD que permite sombrear los modelos tridimensionales creados.

Microsoft desarrolla Open GL, para su uso con Windows NT. Open GL es un interfaz de software para la producción de gráficos 3D. Incorpora aproximadamente 120 comandos para dibujar varias formas primitivas como puntos, líneas y polígonos; también incluye soporte para el sombreado, aplicación de texturas, iluminación, animación, efectos atmosféricos (como neblina) y simulación de la profundidad de campo. Open GL, desarrollado por Silicon Graphics, es un estándar para la programación y renderizado de gráficos 3D en color. 1993: Unigraphics Solutions compra la empresa especialista en CAM UNC Software Gmbh. Introduce el modelado híbrido, caracterizado por utilizar tanto parametrización avanzada como las tradicionales tecnologías de modelado constructivo. Se presenta CATIA-CADAM Version 4, que mejora de forma significativa la línea de producción, la robustez del sistema, la arquitectura abierta de programación, capacidades y facilidad de uso. Permite desarrollar múltiples operaciones en simultáneo - ingeniería concurrente - permitiendo una concepción global del diseño. Se funda una nueva compañía de CAD llamada SolidWorks Inc. 1995: Bentley incorpora a MicroStation un avanzado sistema de modelado sólido para diseño mecánico. El número de puestos instalados llega a los 200.000.

Autodesk lanza la primera versión de Mechanical Desktop, un sistema de diseño para el módulo de trabajo mecánico integrado en AutoCAD 13.

9

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González 1996: General Motors firma el mayor contrato de CAD/CAM de la historia escogiendo Unigraphics como el único programa para el desarrollo de sus vehículos.

Solid Edge version 3 de Intergraph impacta en el mercado al lanzarse a un precio de unos 6000 dólares. SolidWorks Co. lanza Solid Works, un ambicioso paquete 3D. Incorpora un complejo modelador de superficies y una buena interfaz de usuario gráfica. 1997: Dassault Systemes S.A. compra Deneb, el reconocido proveedor de las soluciones líderes en producción digital. Dassault Systemes S.A. y SolidWorks Corporation anuncia la firma de un acuerdo definitivo por el cual Dassault Systemes adquiere SolidWorks, el proveedor líder de software de diseño mecánico para Windows. 1998: Dassault Systemes crea ENOVIA Corporation, una subempresa encargada de desarrollar las soluciones de ENOVIA PDM II (Product Development Management).

Autodesk lanza 3D Studio MAX version 2.5, Autodesk Architectural Desktop y AutoCAD Mechanical (herramienta mecánica para integrar en AutoCAD 14). 1999: Dassault systemes presenta CATIA Versión 5 para sistemas basados en Windows NT y UNIX.

2.5. 2000:

2000 hasta la actualidad Bentley

Systems

anuncia

una

nueva

tecnología

de

visualización, “Particle tracing” que proporciona soluciones de iluminación

foto realistas para grandes modelos creados por arquitectos, diseñadores de interiores y diseñadores de plantas.

Dassault Systemes integra Microsoft Visual BASIC para aplicaciones en sus productos SolidWorks, CATIA, SmarTeam, ENOVIA y DELMIA. Actualmente la industria del CAD está dominada por 3 grandes empresas: IBM-Dassault Systemes con CATIA & ENOVIA, UGS con Unigraphics & iMAN, y PTC con Pro/Engineer & WindChill; and Autodesk, cuyo valor de mercado está ligeramente por debajo del de Dassault Systemes. SolidWorks y SolidEdge (Dassault Systemes y UGS respectivamente) continúan peleando con Autodesk's Inventor en el mercado de los programas CAD de precio medio.

10


Capítulo 3. Introducción a las motocicletas y el motociclismo 3.1.

Introducción histórica de la motocicleta.

La primera motocicleta fue construida por Sylvester Howard Roper en 1868 [2], y no estaba propulsada por un motor de gasolina sino por motor de vapor. Su bicicleta de vapor fue expuesta en feria del este de Estados Unidos en 1867, pero no tuvo una gran aceptación, a pesar de que anticipó muchas características de las motocicletas actuales, como por ejemplo el puño del acelerador. El primer diseño comercial de bicicleta autopropulsada fue un diseño de tres ruedas denominado Butler Petrol Cycle [3] (Ilustración 3), concebido y construido por Edward Butler en Inglaterra, 1884. Este prototipo fue exhibido en el Stanley Cycle Show en Londres, 1884, dos años antes de que Karl Benz inventara su primer automóvil, quien es generalmente reconocido como el inventor del automóvil moderno.

Ilustración 3

El Butler Petrol Cycle estaba equipado con un motor de 5/8 hp, 600cc y 4 cilindros [4], válvula con refrigeración agua. Lasistema velocidad través de una de palancapor y no tenía deestaba frenos;controlada el vehículoa se paraba bombeando una palanca colocada en la rueda trasera, que era la conductora. Sin embargo el proyecto fracaso por falta de apoyo económico. Una de las primeras motocicletas propulsadas por un motor de combustión interna alternativa fue la Daimler Reitwagen, diseñada y construida por los inventores alemanes Gottlieb Daimler y Wilhelm Maybach, 1885. Su invento no se parecía a las motocicletas de la época 11

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González donde el ángulo de avance era prácticamente nulo, el cual sirvió como comienzo del desarrollo de la dinámica de la motocicleta, sino que se apoyaba en dos ruedas que permanecían derechas al girar [5]. Si no se consideran las motocicletas propulsadas por vapor, la Daimler Reitwagen fue la primera motocicleta en el mundo. De no ser así, la primicia la tendría el velocípedo de vapor del francés Michaux-Perreaux, 1868 [6]. En

1894, Hilderbrand &

Wolfmüller se convirtió en de la primera motocicleta producción en serie (Ilustración 4), y la primera en ser llamada motocicleta [6]. En los comienzos de la fabricación de motocicletas, los fabricantes adaptaban sus Ilustración 4 diseños a los nuevos motores de combustión interna alternativos. A la vez que los motores se hacían más potentes, los diseños se distanciaban de los srcinales y el número de motocicletas producidas aumentaba. A finales de siglo, los mayores fabricantes del mundo se asentaron, como el caso de Triumph Motorcycles que en 1898 comenzó su producción, y en 1903 superaba las 500 unidades anuales [7]. En 1901, Indian empezaba a producir, y dos años más tarde le seguía Harley Davidson. El comienzo de la Primera Guerra Mundial supuso un impulso en mercado de la motocicleta, ya que la creciente necesidad de una vía de comunicación efectiva, rápida y dinámica reemplazó al caballo por la motocicleta. Compañías americanas como Harley Davidson dedicaron más del 50% de su producción para el ejército de Estados Unidos, a su vez Triumph vendió más de 30.000 unidades al ejército aliado durante la guerra [8]. En la post-guerra, Harley Davidson se convirtió en el mayor productor mundial, exportando a 67 países [9]. En los 50´s, al aerodinámica empezó a tomar un papel importante en el diseño y desarrollo de las motocicletas de carreras, el concepto dustbin fairing ayudó a un cambio radical en el sector [10]. NSU fabricaba los diseños más avanzados, pero tras la muerte de cuatro pilotos entre las temporadas 1954-1956, abandonaron su desarrollo y salieron del mundo de la competición.

12

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González En el siglo 21, la industria está dominada principalmente por las compañías japonesas. Además de las motocicletas de gran capacidad, hay un enorme mercado en las de menor capacidad, principalmente concentrado en países asiáticos y africanos, donde compañías indias son las dominantes.

3.2.

Componentes básicos de una motocicleta

No importa qué tipo de motocicleta se esté considerando, si una scooter, una superbike o de trial, todas tienen una serie de componentes en común. Dependiendo de la motocicleta, cada uno de esos componentes tiene unas exigencias y prestaciones que cumplir, siendo ésta máxima en las motocicletas de carrera. Chasis: Es la estructura principal en una motocicleta a la que se conectan todos los demás componentes y accesorios de la motocicleta. Tiene varios puntos de anclaje para el motor (siendo éste en ocasiones parte estructural del chasis) y las suspensiones.

Al igual que la propia motocicleta, el diseño del chasis ha ido evolucionando con el tiempo, existiendo en la actualidad varios tipos: tubular, de simple cuna, de doble cuna, multi-tubular, de doble viga [11].

Ilustración 5 Suspensión: Una motocicleta está equipada con dos sistemas de suspensiones, delantera y trasera. Ambas tienen como objetivo mantener las ruedas en contacto con el suelo el máximo tiempo posible al paso por irregularidades, asegurando la estabilidad y aumentando el confort y la seguridad.

13

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González La suspensión delantera más empleada (y casi universal) es la horquilla telescópica, la cual está formada por dos brazos que se unen a la pipa de dirección a través de las cazoletas, y al eje de la rueda delantera. Cada brazo está formado por dos tubos concéntricos, uno de mayor diámetro que el otro, de manera que la distancia entre el eje y las cazoletas puede variar. Además cada brazo se equipa con un muelle de manera que siempre tiendan a estirarse al máximo [11]. Con el fin de aumentar el confort en la conducción se empezó a equipar a las motocicletas con suspensión trasera. En los comienzos era un simple muelle bajo el asiento. Más tarde se impuso los sistemas en los que a la Ilustración 6 rueda trasera se le dotaba con un mínimo de desplazamiento vertical, para ello la rueda trasera se anclaba sobre un soporte deslizante al que le llegaban dos muelles o amortiguadores. Fue después de la Segunda Guerra Mundial cuando se desarrolló el brazo basculante que conocemos en la actualidad. Está formado por un basculante (Ilustración 7)une queelune la ruedaaltrasera chasis, y un sistema muelle-amortiguador que basculante chasis al [11].

Ilustración 7 Motor: Normalmente una motocicleta está propulsada por un motor de gasolina de 2 (2T) ó 4 tiempos (4T) y un número determinado de cilindros. Dependiendo de la potencia del motor estos parámetros cambian. Para motocicletas de baja potencia se suele usar motores 2T y un bajo número de cilindros (uno o dos cilindros), aunque la tendencia actual es usar los 4T debido a su menor contaminación.

14

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González La gran mayoría de motos del mercado sitúan el motor en modo transversal, es decir, con el cigüeñal perpendicular a la marcha, aunque existen algunos modelos de marcas como BMW que usan los llamados motores bóxers, en los que el cigüeñal se sitúa paralelo a la marcha. Carenado: Cuando se dice que una motocicleta es más bonita que otra, normalmente el factor determinante es este elemento, aunque existen algunos tipos como las naked (Ilustración 8) que carecen de este componente.

Ilustración 8

Es en el mundo de la competición donde el carenado toma mayor protagonismo, ya que es el encargado de hacer que la motocicleta sea lo más aerodinámicamente efectiva posible; esto quiere decir que las pérdidas por drag (arrastre) sean lo mínimas posible.

Ilustración 9

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 al suelo, además soportan el peso del conductor y de la propia moto. 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 a través del manillar.

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. Los frenos son imprescindibles para detener la motocicleta. Suelen ir anclados a las llantas y son accionados por una palanca en el manillar (freno delantero) o en el pie (freno trasero). Los hay de dos tipos: de tambor y de disco. 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 15

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González frenada.

3.3.

Introducción histórica del motociclismo2

A pesar de existir diversas disciplinas en el motociclismo (enduro, motocross, trial, supermoto), la más popular y televisada es el motociclismo de velocidad, siendo su categoría reina el Campeonato del Mundo de MotoGP. Es en 1949 cuando ocurre la primera competición anual. Esta primera edición del Mundial acogió a cuatro categorías, siendo el inglés Leslie Graham quien ganó el primer título de 500cc, la categoría reina, subido a una AJS. Freddie Frith, también británico, obtuvo con la Velocette, la corona en 350cc, mientras los italianos Bruno Ruffo (Moto Guzzi) y Nello Pagani (Mondial) fueron los campeones en 250cc y 125cc respectivamente. Los constructores italianos, como Mondial y Moto Guzzi, además de Gilera y MV Augusta, dominaron el Campeonato del Mundo a lo largo de la década de los 50, reflejando el poderío de la industria italiana en esos tiempos. MV Augusta consiguió ganar en todas las categorías de 1958 a 1969, además ganó durante 17 años consecutivos (1958-1974) en 500cc. Durante los años 60, la industria japonesa empezó a crecer y expandirse, aterrizando también en elo Campeonato del Mundosus de primeros MotoGP. Constructores como Honda , Suzuki Yamaha consiguieron títulos y victorias en 125cc, 250cc y 500cc. Suzuki obtuvo grandes éxitos en la categoría, estrenada en 1962, de 50cc. A finales de los sesenta, empezaron los éxitos de una de las leyendas del MotoGP: Giacomo Agostini (Ilustración 10) es aún el piloto que más logros ha cosechado en la historia del Campeonato. Como curiosidad comentar que Agostini competía simultáneamente en varias cilindradas, a diferencia de los pilotos actuales que se centran en una categoría. El italiano ganó durante cinco años consecutivos las categorías de 350cc y 500cc, siempre defendiendo los colores de MV Augusta. La escala de costes asociada a las motos de Gran Premio llegó a niveles insostenibles para las marcas niponas. Al final de los sesenta, Yamaha abandonó la competición Ilustración 10

2

Datos consultados en [15]

16

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González En el siguiente período, la batalla por la victoria se vio inmersa en una espiral de creciente competitividad. Se acabaron los tiempos en que algunas marcas italianas o japonesas dominaban con mano de hierro. Constructores europeos como Bultaco, Kreidler MV Augusta; japoneses, Kawasaki, Suzuki, Yamaha; o estadounidenses, Harley Davidson; se alzaron con algún título. Las marcas japonesas consiguieron también acabar con la hegemonía de MV Augusta en 500cc a mitad de los 70. A finales de los 70 vuelve la presencia de Honda en el Campeonato. Es en 1983, cuando la marca nipona cambia su filosofía, dejando las máquinas de 4 tiempos, por las V3 de 500cc y de 2T. Con la mítica NS500, Freddie Spencer consiguió su primer título mundial que fue también el primero para Honda desde su vuelta a la máxima competición. La temporada anterior había sido la última en la que se celebraron carreras de 350cc, dejando el Campeonato con 4 categorías: 500cc, 250cc, 125cc y 50cc. Esta última fue sustituida en 1984 por 80cc. De las seis temporadas en que se corrió con motos de 80cc, Derbi ganó 4 títulos, tres de ellos de la mano del español Jorge Martínez Aspar. A partir de 1980, la competitividad de la categoría reina creció espectacularmente con la rivalidad entre los constructores japoneses, Honda, Yamaha y Suzuki y la llegada de las grandes estrellas americanas como Schwantz Eddie Lawson, Randy Mamola, Freddie Wayne Rainey o Kevin . Mientras, en 125cc y 250cc, los Spencer, fabricantes europeos como Derbi, Garelli o Aprilia luchaban de tú a tú contra los gigantes japoneses. A finales de los 90, Mick Doohan, héroe de Honda y Leyenda del MotoGP, dominó los 500cc, llevándose el título mundial en cinco ocasiones consecutivas (1994-1998). Una grave caída, a principios de la temporada 1999, forzó la retirada del piloto australiano. Antes de la revisión de la normativa, que provocó el cambio a motores de 990cc y 4Tiempos, más acorde a las nuevas líneas de producción y desarrollo tecnológico modernos, Valentino Rossi (Ilustración último título11) conhabía motosconseguido de 500cc el y 2T, de la mano de Honda. En 1997 y 1999, el piloto italiano había ganado Ilustración 11 los títulos en las cilindradas de 125cc y 250cc con Aprilia. Después de la reformulación en 2002 del Campeonato del Mundo, que pasó a conocerse como MotoGP, ya con motos de 990cc, Rossi repitió 17

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González victoria durante 4 ediciones más. En las dos primeras lo hizo con Honda y en las dos siguientes con Yamaha. En las últimas temporadas, los pilotos europeos han vuelto a revalidar los trofeos en las cilindradas más pequeñas, antes de dar el salto a MotoGP. Dani Pedrosa consiguió el título por tres años consecutivos, uno en 125cc y dos en 250cc, corriendo para Honda. En 2006, su primera temporada en MotoGP, el español compartió el box del Repsol Honda con Nicky Hayden, quién gracias a su constancia y al gran trabajo realizado obtuvo el título, resuelto en un ajustado final en la última carrera contra el hasta entonces imbatible Rossi. El estadounidense rompía así con la racha de victorias de la estrella italiana. Al inicio de la temporada 2007, nuevas modificaciones en la normativa, en la que se restringió el número de neumáticos a usar durante el fin de semana de Gran Premio y la disminución de la cilindrada del motor, de 990cc a 800cc, alteró las cosas. Ducati, equipada con gomas Bridgestone, aprovechó su ocasión de la mano de Casey Stoner, el primer Campeón de la nueva generación de pilotos. Ducati devolvía el trofeo de constructores a Europa, después de más de 33 años en manos de los fabricantes japoneses. En 2008, sin embargo, Rossi volvió a auparse en la cima y sumó su sexto título mundial en la categoría reina. En la temporada 2009 se introdujo la normativa del neumático único, Bridgestone fue designado como proveedor exclusivo de la categoría de MotoGP. Rossi obtuvo su séptimo título en la categoría reina tras una dilatada batalla con su compañero de equipo Jorge Lorenzo. El italiano se queda por el momento a un título de igualar el récord de todos los tiempos, las ocho coronas acumuladas por su compatriota Giacomo Agostini. La temporada 2010 inscribió un nuevo nombre en los anales de la historia de MotoGP: Jorge Lorenzo se coronó Campeón del Mundo de la categoría reina tras una larga y emocionante batalla por el título a lo largo de la temporada con su compañero de equipo Valentino Rossi. En 2011, Casey Stoner pasó a competir con el equipo de fábrica de Honda, un cambio que resultó un éxito rotundo. Stoner se aseguró el título de esa campaña con una victoria en Phillip Island (Australia). En 2012, año en el que la parrilla pasó a competir con motos de 1000cc, el piloto del Yamaha Factory Racing, Jorge Lorenzo, conquistó el título en Phillip Island, donde fue segundo. El mallorquín mantuvo un pulso con Dani Pedrosa (Repsol Honda) a lo largo de la temporada, mientras que Casey Stoner terminó su última temporada en MotoGP en tercera posición después de superar una lesión ocurrida a mitad del Campeonato.

18

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González El actual Campeón del Mundo de MotoGP es el piloto Marc Márquez (Ilustración 12), del equipo Repsol Honda, quien en 2013 conquistó su primera corona mundial de MotoGP en su campaña de debut en la categoría, batiendo numerosos récords durante la campaña. Jorge Lorenzo, del Yamaha Factory

Ilustración 12

19

Racing , logró subcampeonato quedó muy cerca de elMárquez tras una yserie de intensas batallas a lo largo de la temporada.


Capítulo 4. Herramientas de representación gráfica CAD es el acrónimo de “Computer Aided Design” o “Diseño Asistido por Ordenador”. Puede definirse como el conjunto de procedimientos y herramientas necesarias para la creación, visualización, manipulación, análisis y representación de formas planas o espaciales. La función principal en estas herramientas es la definición de la geometría del diseño (pieza mecánica, arquitectura, circuito electrónico, etc.) ya que esta es esencial para las actividades subsecuentes en el ciclo del producto. El termino CAM (Computer Aided Manufacturing) se refiere a cualquier proceso de fabricación automático que esté controlada por ordenadores. El control sobre las maquinas herramientas de fabricación se realiza a través del Control Numérico (CN). Este consiste en una serie de instrucciones programadas que la maquina pueda entender, como el posicionamiento de la punta de una broca, activar el lubricante, cambiar de herramienta, etc. Con el CAM se consigue una automatización en la creación de estas instrucciones por el ordenador, evitando así posible error humano, aumentar los niveles de producción con menor esfuerzo, ahorre de coste y tiempo, mayor versatilidad de objetos fabricados y productos de mayor calidad. Esto se conoce como Control Numérico Computarizado (CNC).

4.1. Comparación comerciales

entre

diferentes

software

Hoy en día existen una gran cantidad de softwares comerciales para el desarrollo del modelado tridimensional. Se analizaran los tres programas utilizados principalmente en este sector: SOLIDWORKS: En 1993, Jon Hirschtick, fundador de SolidWorks, contrató un equipo de ingenieros con la misión explícita de hacer que la tecnología CAD 3D fuera más accesible. Lo lograron creando el primer programa capaz de ejecutarse en una plataforma Windows sin necesitar sistemas caros de hardware y software para funcionar. En 1995 se lanzó la primera versión del software SolidWorks. En el plazo de dos meses, dicha versión era alabada por su facilidad de uso, ya que permitía a más

20

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González ingenieros que nunca aprovechar las ventajas del CAD 3D para darles vida a sus diseños. [12] El programa utiliza una función paramétrica que permite una gran libertad a la hora de realizar el diseño del producto, gracias a la cual, si una vez terminada la pieza se decide cambiar un parámetro, el resto se reajusta automáticamente, siendo muy útil esta característica a la hora de diseños preliminares donde aun no se tienen muy claras la forma final deseada para obra. SolidWorks fue pionero en este desarrollo paramétrico que permite al usuario hacer cambios, añadir características adicionales, o cambiar la secuencia en que se realizan las operaciones establecidas. Posee además módulos adicionales que permiten una gran variedad de procesos y análisis que facilitarán saber si el diseño realizado es adecuado para la aplicación que deseamos. Algunos de estos módulos son: - SolidWorks Simulation. Con este módulo se puede hacer un análisis por elementos finitos del diseño, lo que proporcionara una primera idea de los resultados más importantes, como pueden ser: tensiones, desplazamientos, frecuencias, pandeo,… - Indigo Renderer. Un renderizador de calidad fotográfica que produce resultados muy realistas. - SolidWorks Toolbox. Es una biblioteca de elementos de sujeción predefinidos, engranajes, levas, clavos y otros accesorios. Esta base de datos puede ser modificada. También se pueden crear piezas estándar creadas por el usuario y añadirlas a esta biblioteca para su uso posterior en otros proyectos. - SolidWorks Animation. Tiene la capacidad de la explosión del ensamblaje. Puede producir la salida de video con el movimiento implementado del conjunto, pudiendo comprobar si las piezas realizan la acción deseada y si existen interferencias entre piezas. Además de estas ayudas, este programa trae un interfaz de programación de aplicaciones (API) para el desarrollo de macros que son muy útiles para tareas repetitivas. Esta ydesarrollado en Por una todo interfaz de Windows, que es muy familiar fácil de usar. esto,típica es uno de los programas más utilizados en la industria del diseño y fabricación, sobre todo en donde no es necesaria una gran complicación en el diseño de superficies, que es el punto más flojo del programa. SOLID EDGE: Permite el modelado de piezas de distintos materiales, doblado de chapas, ensamblaje de conjuntos, soldaduras y funciones de dibujo en plano para ingenieros.

21

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González Presentado en 1996, inicialmente fue desarrollado por Intergraph como uno de los primeros entornos basados en CAD para Windows NT. Ahora pertenece y es desarrollado por SIEMENS AG. Su kernel de modelado geométrico era srcinalmente ACIS, pero fue cambiado a Parasolid. El núcleo Parasolid es desarrollado actualmente por Siemens PLM Software y es usado ampliamente como el motor geométrico de otras herramientas CADs (SolidWorks, IronCAD,…) Con la adquisición por parte de SIEMENS AG, empieza a formar parte de todas sus plantas de producción e ingeniería, por lo que está sufriendo unas mejoras considerables dentro del software. Dentro de las mejoras más notables en su última versión, cabe destacar la traducción de archivos de otras plataformas, lo que permitirá sin duda que se abra paso en sectores antes condenados al uso de un determinado software por la falta de compatibilidad de sus archivos con otros paquetes de CAD. CATIA (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application): programa CAD/CAM/CAE comercial desarrollado por Dassault

Systemes, Francia. El programa está desarrollado para proporcionar apoyo desde la concepción del diseño hasta la producción y el análisis de productos. Actualmente la versión V6 es la más puntera de este grupo, aunque la mayor parte de empresas tiene implantada la versión V5. CATIA fue inicialmente desarrollado para servir en la industria aeronáutica, por lo que se ha hecho un gran hincapié en el manejo de superficies complejas. Prueba de ello es que fue el programa con el cual se realizo el diseño del museo Guggenheim en Bilbao, ya que ningún otro programa era capaz de trabajar con tales superficies. Aparte de la aeronáutica y la construcción, también es ampliamente usado en la industria del automóvil para el diseño y desarrollo de componentes de carrocería. Concretamente empresas como el Grupo VW, BMW, Renault y Porsche hacen un gran uso del programa. Provee una arquitectura abierta para el desarrollo de aplicaciones o para personalizar el programa. También es un programa que se conforma por una gran cantidad de módulos que nos facilitan el diseño de las piezas o conjuntos. Eligiendo el más adecuado para cada aplicación se puede llegar a ahorrar mucho tiempo, siendo necesario un gran conocimiento del programa para poder sacarle todo su potencial. Una vez analizados los tres principales programas de representación gráfica del mercado, se puede concluir que CATIA es el más potente y apto para el trabajo que se va a desempeñar. CATIA es considerado el “hermano mayor” de SolidWorks, por lo que no sólo contiene sus módulos, sino que están mejorados y ampliados. 22

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González Atendiendo a SolidEdge, se puede afirmar que a pesar de la mejora a la que se ha visto sometido el programa tras la incorporación de Siemens, aún se sitúa en un nivel inferior que CATIA. Se concluye que para realización de este proyecto se utilizará CATIA V5, concretamente su Release número 20.

3

4.2. CATIA V5

CATIA V5 posee una estructura modular, donde cada módulo se utiliza para realizar una tarea diferente. Los módulos se agrupan en espacios de trabajo, de forma que cada uno posee varios módulos destinados a un mismo objetivo, pero realizando funciones diferentes. Los espacios de trabajo más importantes son los siguientes:

Infrastructure. Utilizado para controlar el aspecto del diseño, elaborar catálogos e interactuar con otras versiones de Catia. Mechanical Design. Es un conjunto de módulos destinados a la concepción de piezas. Shape. Conjunto de módulos destinados al diseño de superficies. Analisys and Simulation. Usado para hacer cálculos mediante el método de los elementos finitos. NC Manufacturing. Se utiliza para elaborar programas de control numérico. Digital Mockup. Conjunto de módulos destinados a realizar animaciones y análisis de los conjuntos. Equipments and Systems. Se usa en el diseño de tuberías, equipos y todo tipo de sistemas en general. Ergonomics Design. Agrupa los módulos destinados al estudio de la interacción humana con el conjunto diseñado. 3

Documento consultado [16]

23


Knowledgeware. Son módulos de conocimiento. Los módulos que van a ser usados con mayor frecuencia durante la realización de este proyecto son:

Mechanical Design: Part Generative Shape Design.

Design,

Sketcher,

Assembly

Design,

Digital Mockup: DMU Kinematics, DMU Fitting. A continuación se realiza una pequeña introducción al espacio de trabajo de CATIA V5. En la pantalla principal (Ilustración 13) se visualizan los siguientes elementos:

Menú Principal. Es el menú que permite ejecutar la mayoría de los comandos ubicados en los menús del entorno, el cual cambiará dependiendo del módulo en el que se esté trabajando, permitiendo realizar unas tareas u otras. Compás. Es un elemento muy utilizado en los módulos de conjuntos donde varias piezas se encuentran ensambladas. Se utiliza para mover una pieza respecto a otra dentro del conjunto. Árbol de especificaciones. Es el lugar donde se van recogiendo todas las operaciones que se realizan en el documento. Tiene una estructura vertical y lineal. Un elemento situado más abajo que otro no implica obligatoriamente que haya sido creado después. Menús del entorno. Son los menús donde se contienen los comandos que por defecto vienen en cada uno de los módulos. Por un lado se encuentra la paleta de funciones (derecha de la pantalla) del módulo activo. Y por otro lado, la barra de herramientas (debajo de la pantalla), prácticamente común a todos los módulos, la cual permite realizar acciones tales como abrir o guardar documentos, medir, aplicar materiales, cambiar el modo de visualización, etc. Estos menús son personalizables, pudiendo insertar o eliminar comandos de un menú.

24


Ilustración 13

Ilustración 15 Ilustración 14

Además de los ya explicados, existe el menú contextual (Ilustración 14) que no es más que el menú que posee cada elemento creado. Este menú se despliega seleccionando en el árbol de especificaciones el elemento y pinchando con el botón derecho del ratón. Este menú permitirá realizar operaciones para el elemento seleccionado tales como cortar, copiar, mover, etc. 25

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González Para cambiar de un módulo a otro se debe pinchar en Start del menú principal (Ilustración 15), y seleccionar cualquiera de los que aparece en la lista. Al cambiar de módulo, el entorno de CATIA cambia y los menús se adaptan a la nueva configuración apareciendo nuevas herramientas que facilitan un trabajo u otro dependiendo de cual se haya activado. Existen varios tipos de documentos en CATIA V5 y a cada tipo de documento le corresponde un conjunto de módulos determinados. Los documentos que van a ser utilizados son los siguientes:

Part. Es el documento que contiene la geometría de la pieza. En un Part se almacenan todos los elementos necesarios para construir dicha geometría. La extensión que poseen estos archivos es CATPart. Los módulos más importantes compatibles con este tipo de archivos son: Part Design, Sketcher, Wireframe and Surface Design, Generative Shape Design ó Knowledge Advisor entre otros. Product. Un Product está constituido por una serie de Parts orientados unos con respecto a otros formando un conjunto. En este documento se almacena el posicionamiento de los Parts que contiene. También guarda otras informaciones relativas a los Parts, como los enlaces que se establezcan entre piezas dentro del de Product, simulaciones, los análisis de interferencias, etc. La extensión este las archivo es CATProduct y los módulos más usados son: Assembly Design, todos los del Digital Mockup, Photo Studio, Real Time Rendering, Knowledge Expert ó Knowledge Advisor. En cuanto a las herramientas de recreación virtual, CATIA V5 ofrece numerosos módulos, de los cuales, en este documento, se usaran los siguientes: DIGITAL MOCKUP: Este espacio de trabajo contiene varios módulos que permiten verificar la corrección del diseño realizado permitiendo realizar una gran variedad de simulaciones para comprobar la validez del mismo, puesto que el diseño es en realidad una “maqueta digital”.

DMU Kinematics: Define, simula y analiza mecanismos, usando una amplia variedad pares cinemáticos. Proporciona análisis de interferencias y distancias mínimas durante el movimiento, de modo que es posible verificar la validez del mismo durante la simulación del movimiento. Permite simulaciones combinadas mediante la integración de otras aplicaciones DMU.

26


DMU Fitting: Permite la simulación y análisis de despieces y montajes de conjuntos, además poseer herramientas como PathFinder donde seleccionada una pieza y un escenario el programa calcula la ruta de escape. INFRASTRUCTURE: Los módulos de los que se compone este espacio sirven para complementar y estructurar el diseño, no para realizar el diseño en si mismo. Catalog Editor: A través de este módulo se pueden crear catálogos de piezas no normalizadas, permitiendo al usuario poder usar una de las piezas del catálogo cada vez que lo necesite evitando tener que volver a modelarla.

27


Capítulo 5. Diseño de piezas Una vez elegido CATIA V5 como programa de CAD, se pasa al diseño de todas las piezas que conformarán la motocicleta. El actual capítulo no pretende ser un manual de CATIA con el que el lector pueda reproducir fielmente el trabajo aquí expuesto, sino una muestra de los procesos de diseño más interesantes, ya sea por su dificultad o por ser poco habituales; y una demostración de las habilidades y conocimientos adquiridos con CATIA V5. Para el diseño de las piezas se han usado principalmente dos módulos: Part Design y Generative Shape Design. El primero se encuentra en el espacio de trabajo Mechanical Design y el segundo en Shape. Ambos módulos, al igual que muchos otros, se basan en uno común: Sketcher, módulo encargado del diseño bidimensional, y que servirá como soporte a la hora de crear sólidos y superficies. Durante el proceso de modelado no sólo hay que conseguir un diseño atractivo y funcional, sino además se deben de tener en cuenta factores como el proceso de fabricación y la perfecta coexistencia entre piezas. El objetivo principal del equipo es construir una motocicleta de carrera, todas las piezas que se representarán a continuación se enviarán a fabricar y por tanto se “diseña como se va a fabricar”. Esta filosofía facilitará el trabajo al centro de mecanizado y repercutirá en un ahorro de los costes de fabricación. Se debe de tener en consideración que cada pieza formará parte de un mecanismo o un conjunto, lo que supone prestar una especial atención a la coincidencia de ejes ó caras de contacto. CATIA tiene a disposición del usuario varias herramientas con las que analizar un conjunto y poder subsanar posibles conflictos, esto se verá en capítulos posteriores. Se prosigue con la descripción de una serie de piezas cuyo proceso de diseño se considera de interés.

28


5.1.

Llantas

Las llantas son las encargadas de alojar los neumáticos, los discos de freno y soportar el peso de toda la motocicleta. Es por ello que deben ser suficientemente rígidas, además de ligeras, ya que un elevado peso supondría altas inercias debido a la velocidad de rotación propia de la llanta, y por lo tanto un inconveniente añadido a la hora de frenar la motocicleta con garantías. Las llantas se Ilustración 16 fabrican en aleación de aluminio o magnesio, materiales con un módulo elástico suficiente (el aluminio tras un tratamiento térmico T6 puede superar los 400MPa, y el magnesio superior a 350MPa) y una densidad baja (el aluminio 2700kg/mm3; el magnesio 1700kg/mm3). La organización de la competición provee a todos los equipos de algunos componentes básicos con el fin de unificar una serie de parámetros de la motocicleta, entre ellos las llantas. Por consiguiente, la finalidad del diseño de esta pieza es conseguir una reproducción exacta de la misma. Previo al proceso de diseño, se toman medidas de la pieza con la ayuda de un calibre o pie de rey, y se utiliza como punto de partida los planos administrados por la organización.

29


Ilustración 18

Ilustración 17

Una vez definida perfectamente la geometría de las llantas, se pasa a diseñar CATIA es, V5.¿qué Lo primero usuario de CATIA debe preguntarse antes deendiseñar móduloque es un el más apropiado para la pieza que se quiere diseñar? En este caso la duda lógica sería elegir entre Part Design y Generative Shape Design. Se analiza detenidamente la llanta y se decide usar el módulo Generative Shape Design. El motivo principal que ha llevado a esta decisión ha sido la compleja geometría de los radios, los cuales están formados por caras cuyos ángulos de inclinación van variando. Es cierto que podría realizarse perfectamente con el módulo Part Design, pero para ello habría que crear los radios como sólidos rectos ó incluso con cierta inclinación gracias a la herramienta multi-section, y posteriormente realizar vaciados hasta conseguir el resultado deseado. En este caso el módulo Generative Shape Design es más potente, versátil, y rápido. La filosofía a seguir es dividir la llanta en perfil19). superior, eje, cuerpo central, que radiosey va cogidas del disco de freno (Ilustración

30


Ilustración 19

A través de superficies, se crea la “cáscara” cerrada de cada parte en la que se ha dividido la llanta, para posteriormente rellenar de material sólido, y terminar ensamblando. A continuación se explican estos pasos con más detalle. Se comienza por el cuerpo superior, que es la parte que abrazará y alojará al neumático. Para crearla simplemente se dibuja el perfil y usando la herramienta revolute, tomando como eje de revolución el paralelo al perfil, se crea la superficie (Ilustración 20). A continuación se modela el eje, que no es más que un cilindro. Se dibuja un sketch que contenga una circunferencia. Volviendo al módulo, se usa la herramienta extrude. Para cerrar el cilindro se aplican dos fill, uno en cada extremo (Ilustración 21).

31

Ilustración 21

Ilustración 20


El siguiente paso será añadir la cogida del freno y un radio. Estos son los dos elementos más complejos en la llanta. Las herramientas principales que se utilizan son extrude, multi-section y sweep (Ilustración 22). Es esta última herramienta probablemente la más completa dentro del módulo Generative Shape Design, en la que se pueden elegir entre cuatro tipos de perfiles, lo cuales a su vez se dividen en subtipos según la información de entrada que se aporte a la herramienta (perfil y líneas guía, perfil más superficie tangente y dirección,…) Es importante comentar que una vez creadas todas las superficies de una de las partes, es necesario unirlas, ya que si no se hace el programa las toma como superficies independientes e inconexas. Para crear estas uniones hay dos opciones principales dependiendo del caso: trim y joint. Ilustración 22

Trim (Ilustración 23) es una herramienta con la que CATIA corta y une dos superficies que intersecan, pudiendo el usuario elegir una de las cuatro opciones que se srcinan en dicha situación.

32


Ilustración 23

La herramienta joint simplemente une todas las superficies que el usuario seleccione. Se usa cuando la unión entre todas las superficies está perfectamente definida.

Ilustración 25

33

Ilustración 24


Ilustración 26

Una vez se tienen totalmente definidas las superficies de cada una de las partes, se tienen que “rellenar” de material. Se pasa al módulo de Part Design y a través de la herramienta close surface, se selecciona el espacio definido por las superficies, la propia herramienta ocupa de material sólido el volumen definido por las superficies. Incluso si una cara estuviera sin tapar por una superficie, la herramienta es capaz de rellenarlo, siempre y cuando dicha superficie sea un plano. Cabe destacar que para evitar tener que repetir los radios y las cogidas del disco de freno cinco veces, se hace uso de la herramienta circular pattern, el cual copia una operación y la repite siguiendo un patrón, en este caso circular.

Ilustración 27

34

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González Una vez se tiene la llanta en bruto (Ilustración 27), se procede a realizar las últimas operaciones: vaciados, agujeros roscados, agujeros pasantes y redondeos oportunos. Debido a la imposibilidad de realizar un patrón sobre una operación de vaciado directamente, se opta por realizar estos como cuerpos sólidos, almacenados en un nuevo body, para posteriormente aplicar una operación booleana de eliminación (remove). Por último se aplica un circular pattern al body logrando el resultado deseado. Tras la realización de las operaciones finales, se obtiene la llanta terminada con un grado de fidelidad a la srcinal muy alta.

Ilustración 28

5.2.

Chasis

El chasis es junto con el basculante uno de los elementos de la motocicleta más complejos de diseñar, no debido a la fase de diseño propiamente dicha, sino por la cantidad de requisitos técnicos y mecánicos que tiene que cumplir, y por los ensayos tan restrictivos a los que se ve sometido. No debe olvidarse que el chasis es el principal elemento estructural de la motocicleta y que debe soportar las cargas típicas de una conducción en carrera (fuertes frenadas, torsiones debido a los giros en curva). 35

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González Lo primero que hay que decidir a la hora de diseñar y construir un chasis es que tipo se va a usar. Ya se vio que existen varios tipos, siendo el doble-viga (Ilustración 29) y el multi-tubular (Ilustración 30) los más comunes en competición.

Ilustración 29

Ilustración 30

Se abogó por un chasis multi-tubular por dos razones principales, la primera es su mayor facilidad de fabricación y por ello menor coste; y la segunda, los buenos resultados obtenidos en la edición pasada de la competición con este tipo de chasis. El siguiente paso es elegir el material que va a ser utilizado. Se barajan dos opciones principales: Aluminio y Acero. El primero más ligero (casi dos tercios menos pesado que el acero), pero con unas propiedades mecánicas más bajas y una peor soldabilidad; sin embargo el acero es una apuesta segura mecánicamente hablando, pero tiene como desafío optimizar la cantidad de material utilizada. En un principio se decidió fabricar en Aluminio. Se realizaron todos los ensayos necesarios en el programa de elementos finitos (Ansys) y se comprobó que el chasis de aluminio era apto para los requerimientos solicitados, pero debido a la incertidumbre generada por las zonas afectadas térmicamente durante el proceso soldadura propiedades mecánicas hasta un 40%), se tomó de la decisión final(rebajan de usar las Acero. Como se puntualizó anteriormente, diseñar un chasis de acero competitivo no sólo conlleva que sea resistente y tenga una vida a fatiga suficiente, sino conseguir esto mismo con el mínimo peso posible. A continuación se decide la geometría del chasis y la disposición de los tubos, para posteriormente entrar en un bucle de trabajo en el que primero 36

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González se elige una geometría de tubos (diámetro exterior y espesor) atendiendo a un catálogo comercial de acero, para después exportar el archivo CATIA al programa Ansys donde se comprueba que cumpla todos los ensayos programados. De ser así, se baja el tamaño del perfil del tubo; se vuelve a ensayar hasta encontrar un perfil que no cumpla alguno de los ensayos, siendo el inmediatamente superior el perfil óptimo. Ahora empieza el proceso de diseño en CATIA. Atendiendo a la mecánica de trabajo expuesto anteriormente, los pasos que se debe seguir en CATIA son: Parametrizar las dimensiones básicas de los tubos, como diámetro exterior y espesor de perfil. Posteriormente se modela el chasis propiamente dicho. De esta forma se evita tener que cambiar uno a uno todos los perfiles en cada cambio que sea necesario hacer, sino que directamente se modifican los valores de los parámetros creados. Para parametrizar un fichero se pulsa en la herramienta formula dentro de la paleta knowledge. Una vez dentro se tiene que elegir el tipo de parámetro que se quiere añadir (longitud, ángulo, área,…) y pulsar el botón

New parameter of type, y se añade un valor al parámetro. Por último, y si se desea cambiar el nombre, se puede hacer en la barra de texto inmediatamente superior. Siguiendo estos pasos para todas las dimensiones necesarias se tiene el chasis perfectamente parametrizado.

Ilustración 31

Puede ocurrir que al crear los parámetros no se visualicen en el árbol (Ilustración 32), para solucionarlo simplemente se tiene que seguir esta secuencia de comandos: Tools -> Options -> Infrastucture -> Part Infrastucture -> Display. La casilla de Parameters debe estar marcada. 37


Ilustración 32

Para trasladar la información parametrizada al modelo hay que realizar un sketch con el perfil del tubo. Se añaden las constraint pertinentes y a continuación haciendo doble click y pulsando con el botón derecho sobre el espacio que contiene el valor de la dimensión, se abre el menú contextual, donde se pulsa Edit formula… Aparece el editor de fórmulas con una barra de texto donde el usuario puede escribir una fórmula usando parámetros, este valor estará asociado a la restricción sobre la que estamos trabajando.

Ilustración 33

Se prosigue con el modelado del chasis. Como ya se ha comentado, para modelar el chasis de una forma sencilla y rápida se debe tener siempre 38

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González en mente la fabricación, de esta forma se obtendrá un modelo factible de producir y fiel a la realidad. Se comienza con las barras que servirán de guía para el resto, como son la pipa y la barra de refuerzo medio, además de las dos placas.

Ilustración 34

Hay que comentar que para el modelado de las barras, en primer lugar se crean las líneas guía y posteriormente el perfil, que irá soportado por un plano perpendicular la línea guía en su punto medio. De esta forma cuando se realice un pad o un rib, se aplicará en las dos direcciones de la línea. Con este método lo que se pretende es que cuando haya un cruce de barras se realice el pad o rib hasta la siguiente superficie, consiguiendo un acople entre barras perfecto. De otra forma habría que recortar las barras sobrantes.

Ilustración 35

Se continúan añadiendo tubos siguiendo la filosofía anteriormente descrita.

39


Ilustración 36

Ilustración 37

Ilustración 38

Por último se añade la cuna. Ante la imposibilidad de conocer si el motor puede usarse como elemento estructural (se desconocen sus características mecánicas) se decide diseñar una cuna que confiera mayor rigidez al conjunto.

40

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González Finalmente se obtiene el chasis definitivo:

Ilustración 39

5.3.

Amortiguación trasera

La suspensión trasera es uno de los componentes fundamentales en una motocicleta, la cual está compuesta por dos elementos principales: basculante y amortiguación. En esta sección se hablará del diseño de este último elemento. Al igual que las llantas, la organización del campeonato provee a todos los equipos del mismo sistema de amortiguación trasera, por lo que la finalidad en este apartado será de nuevo conseguir una reproducción exacta del conjunto. El sistema de amortiguación trasera se divide en el propio amortiguador y un muelle. El muelle es el encargado de absorber los impactos y los desplazamientos rápidos del eje trasero, además de devolver al sistema a su estado original; el amortiguador confiere estabilidad al sistema y disipa la energía acumulada por el muelle, sin él el muelle no alcanzaría su posición natural en un espacio de tiempo adecuado. Lo primero que se debe hacer es modelar la base y el vástago del amortiguador, con sus respectivas cogidas (Ilustraciones 40 y 41). Debido a que ambas partes tendrán movimientos relativos diferentes, se realizan en archivos CATPart diferentes (este concepto se explicará en mayor profundidad en capítulos posteriores).

41


Ilustración 41

Ilustración 40

Ilustración 42

Ambas piezas se modelan fácilmente usando las herramientas Pad, Pocket y Hole. El componente más complejo de modelar es el muelle, aún así sigue la misma filosofía que los tubos en el chasis, se dibuja una línea guía y usando la herramienta rib, se crea el sólido. La dificultad reside en una buena elección de los parámetros que controlan la línea guía. Para dibujar dicha línea guía, hay que seleccionar el módulo Wireframe and Surface Design dentro del espacio de trabajo Part Design; como su propio nombre indica, este módulo permite diseño alámbrico y superficial. Se pincha en la herramienta Helix, la cual pide un punto inicial, y una dirección para poder crear la hélice. Además se pueden modificar una serie de parámetros como el paso, la altura de la hélice o el ángulo inicial. Se pretende modelar el sistema de amortiguación de forma que el muelle se adapte según varíe la distancia de sus extremos, conseguirlo no es trivial y supone incluso modificar las opciones de CATIA. Se explica con detenimiento a continuación. Para permitir que el programa actualice relaciones entre Parts dentro de un Product, se debe seguir la siguiente rutina: Tools -> Options -> Infrastucture -> Part Infrastucture -> General. Dentro de este cuadro, la opción Synchronize all external references when updating tiene que estar activa. Una vez hecho esto, dentro del módulo de Assembly Design se ensamblan la base y el vástago (el capítulo 6 profundizará en dicho módulo). Se crea un nuevo Part dentro del Product que contendrá el muelle. A continuación se mide la distancia entre los soportes del muelle con la herramienta Measure Between y se mantiene la medida (Ilustración 43).

42


Ilustración 43

Cuando se proceda a seleccionar la altura de la hélice, se presiona con el botón derecho del ratón dentro del cuadro de diálogo y se selecciona Edit Formula, dentro del nuevo cuadro que aparece se hace doble click en la medida que anteriormente se realizó, y se pulsa Ok. Con esto lo que se consigue es que la altura del muelle siempre dependa de esa medida, de forma que cuando esa medida varíe, la altura lo haga y el muelle siempre esté encajado en sus soportes sin necesidad de tener que cambiar los parámetros de la hélice en cada modificación.

Ilustración 45

Ilustración 44

Una vez concluido este paso ya se tiene finalizado el sistema de amortiguación trasera.

43


5.4.

Piñón, plato y cadena

El motor es el elemento que aporta la potencia y permite a la motocicleta moverse longitudinalmente, pero esa potencia y movimiento necesita ser transmitida a la rueda trasera. El primer elemento encargado de la transmisión es la caja de cambios, en este caso está incorporada dentro del motor, por lo que no es necesario de modelar. El eje de salida de la caja de cambios, llamado primario, tiene acoplado en su extremo piñón ode corona primaria,Por el cual unenecesario con la corona de el la rueda trasera ael través una cadena. tantosees diseñar juego de transmisión piñón-cadena-corona, atendiendo a las prestaciones de la motocicleta y las características del trazado. El piñón y la corona son ruedas dentadas cuyos parámetros geométricos fundamentales de diseño son el número de dientes (Z), paso (P) y radio de pie de diente (r1). El número de dientes es un parámetro definidos por el usuario, y el radio de pie de diente y el paso lo son por la cadena, el Ilustración 46 resto de parámetros dependen directamente de los anteriores ó son definidos por las solicitaciones de la rueda. Parámetros

                                

                                   Tabla 1

Para que la transmisión se realice con éxito los parámetros impuestos por la cadena deben coincidir con los del piñón y el plato, por lo tanto lo primero que hay que elegir es la propia cadena. Sus parámetros están estandarizados a través de un número de serie, siendo las más comunes en una motocicleta de características Moto3 las series 415 y 428.

44

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González Serie

Paso (mm)

Diámetro rodillo

415 428

12,7 12,7

7,77 8,51

Tabla 2

El siguiente paso a seguir es elegir el número de dientes que tendrán el piñón y la corona. Éste valor está íntimamente relacionado con la velocidad de giro de ambas ruedas dentadas como se comprueba a continuación. 



  

El objetivo para elegir una pareja de piñón-corona es conseguir la máxima velocidad punta posible, valor que vendrá dado principalmente por el circuito y su tramo de aceleración máxima. Utilizando un simulador (MotoGP13, PlayStation) se llegó a la conclusión que la velocidad máxima será 185 km/h.  

       

         

Debido a limitaciones geométricas del motor, el número de dientes del piñón no puede superar los 16. Realizando un cálculo iterativo: Zpiñón Zplato

13 14 15 16

35 38 40 43

Tabla 3

Se pasa a describir el proceso de diseño. El éxito del diseño de una rueda dentada se basa en el correcto diseño del perfil del diente, para lo que se usa el módulo Sketcher. Previamente se parametriza (Ilustración 47) siguiendo las ecuaciones expuestas anteriormente (Tabla 1).

45


Ilustración 47

Ilustración 48

Una vez dibujado, se realiza un Pad y un patrón circular imponiendo el número de dientes deseado.

46


Ilustración 49

Una vez diseñadas las ruedas dentadas, se prosigue con la cadena. La cadena se divide en tres partes, las placas (Ilustración 50), los bulones (Ilustración 52) y los cojinetes (Ilustración 51). Dentro de las placas las hay de dos tipos, dependiendo si es un eslabón interior o exterior. Se procede de la misma manera que en la rueda dentada, primero se parametriza se modela. igual que yenuna el caso anterior, los modelos yseposteriormente basan en un perfil dentro Ydealun sketch operación de pad. Para formar la cadena completa se trabaja con dos módulos Assembly design y DMU Kinematic, los cuales se explicarán en profundidad en capítulos posteriores.

Ilustración 50

47

Ilustración 51


Ilustración 53

5.5.

Ilustración 52

Tornillería

La principal forma de unión entre elementos es la unión atornillada, por lo que la cantidad de tornillos y tuercas que se usan en un modelo de esta magnitud es muy alta. Por esta razón se realiza un catálogo atendiendo a las dimensiones estándar de estos elementos gracias al módulo de trabajo Catalog Editor dentro del espacio de trabajo Infrastucture. El primer paso es crear una tabla de valores en Excel, donde la primera columna se llame “PartNumber”. Hay que comentar que las unidades de las dimensiones se escriben en la primera celda de cada columna, tras el nombre de la dimensión y entre paréntesis. Un ejemplo sería el siguiente:

Ilustración 54

A continuación hay que crear todos los parámetros que haya en la tabla de Excel en el archivo de CATIA. Una vez hecho esto, se pulsa el botón Design Table dentro de la paleta Knowledge. Se selecciona la opción crear tabla desde un archivo ya existente, y el programa preguntará si se quiere asociar automáticamente valores con el mismo nombre. En el caso de que al crear los parámetros en CATIA se hayan nombrado de la misma 48

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González forma que en la tabla Excel, se acepta; en caso contrario los tendrá que asociar uno a uno el propio usuario. Con la tabla ya creada y los parámetros asociados, se entra dentro del módulo Catalog Editor. El espacio de trabajo (Ilustración 55) es totalmente diferente al conocido hasta ahora, se divide en dos zonas, una a la izquierda que contiene un árbol, y un espacio central. Por supuesto la derecha y abajo están las barras de herramientas.

Ilustración 55

Primero hay que crear una familia de elementos, se pulsa el botón Add Family dentro de la paleta Chapter. Posteriormente, dentro de esta familia, se añaden los datos pulsando Add Generative Part dentro de la paleta Data y seleccionando el documento que contiene la tabla y los parámetros anteriormente creados. De esta forma ya está creado el catálogo. Para hacer uso de él simplemente hay que pulsar el botón Catalog Browser dentro de la paleta Tools, seleccionar el catálogo creado y hacer doble click sobre la pieza que se quiera añadir al espacio de trabajo (Ilustración 56).

49


Ilustración 56

El diseño de un tornillo y una tuerca es una tarea muy básica, donde simplemente hay. Para que asociar dibujar los en parámetros un sketch elcon perfil deseadoseyprocede utilizar de la herramienta Pad el modelo, la misma forma que se hizo con el chasis.

Ilustración 57

Ilustración 58

50


5.6.

Otras piezas

A continuación se presentan las piezas más significativas diseñadas para la realización de la motocicleta.

Neumático

Ilustración 59

Disco de freno

Ilustración 60

51


Botellas de la suspensión delantera

Ilustración 61

Ilustración 62

Cazoleta inferior

Ilustración 63

52


Puños

Ilustración 64

Semi-manillares

Ilustración 65

53

Ilustración 66


Manillar

Ilustración 67

Embrague de masa

Ilustración 68

54


Adaptador del plato

Ilustración 69

Sujeta plato

Ilustración 70

Empujador del plato

Ilustración 71

55


Dashboard

Ilustración 72

Como se explicó en el Capítulo 1 de esta memoria, este proyecto forma parte de uno más grande en el que se engloba a todo un equipo. Hay piezas de especial importancia que han sido diseñadas por otros compañeros o por la organización de la competición y que son vitales para el funcionamiento de la motocicleta. Se exponen a continuación.

Estribera

Ilustración 73

56


Pedal

Ilustración 74

Spider

Ilustración 75

Cazoleta superior

Ilustración 76

57


Porta-pinza delantero

Ilustración 77

Basculante

Ilustración 78

58


Bieletas

Ilustración 80

Ilustración 79

Subchasis

Ilustración 81

59


Motor

Ilustración 82

Pinza de freno delantero

Ilustración 83

60


Capítulo 6. Ensamblaje Una vez modeladas todas las piezas que compondrán la motocicleta, el siguiente paso es ensamblarlas. Uno de los módulos de CATIA ya expuesto es Assembly Design dentro del espacio de trabajo Mechanical Design. Este módulo permite al usuario crear restricciones entre las diferentes piezas que crean un conjunto, limitando los grados de libertad de cada una según convenga. Cuando se crea un ensamblaje, se definen varios niveles. El principal es denominado Product, éste puede contener a su vez otros Products, Components y/o Parts. Un Component tiene categoría de Product, pero no se guarda un archivo en el ordenador como ocurre con el Product. De esta forma se crea una estructura jerárquica, donde el Product principal es el que controla el conjunto. La filosofía seguida a la hora de definir un ensamblaje viene dada por la propia cinemática del modelo. Cada Product o Part tiene 6 grados de libertad que habrá que restringir. De esta forma un Part contenido en un Product de segundo nivel no puede tener un movimiento relativo al Product principal independiente del resto de piezas de su propio nivel. Ilustración 84

Al igual que en el capítulo anterior, se procede a explicar de forma clara y concisa las acciones realizadas para obtener los distintos ensamblajes, además de comentar las diferentes herramientas analíticas que este módulo contiene según sea conveniente.

61


6.1.

Rueda delantera

El primer paso es seleccionar la pieza base, es decir entorno a la cual se creará el conjunto, en este caso es la llanta. Para elegir un archivo ya existente se pulsa Existing Component dentro de la paleta Product Structure Tools, y se ancla, pulsando la herramienta Fix Component dentro de la paleta Constraint.

Ilustración 85

A continuación se coloca el neumático (Ilustración 86). Se hace coincidencia de centros usando la herramienta Coincidence y posteriormente se centra en la llanta. Para hacer esta última operación existen dos opciones iguales de válidas, la primera sería usando la herramienta Contact Surface, con la que se haría coincidencia de superficie no planas, o de nuevo Coincidence entre los planos medios de las dos piezas.

62


Ilustración 86

El siguiente paso consiste en colocar el disco de freno. La llanta tiene unas pestañitas concéntricas donde se centrará el disco, además de una serie de agujeros roscados para fijarlo. Lo primero que se hace es coincidencia de ejes eligiendo cualquiera dos entre los cinco de las fijaciones y el central. Una vez fijado en un plano, se hace de nuevo coincidencia entre las caras que irán en contacto.

Ilustración 87

Por último se fijan los tornillos (Ilustración 88). Se selecciona un tornillo de la medida deseada dentro del catálogo, en este caso M4. Para seleccionar el resto de tornillos se usará la herramienta Define Multi 63


Instantiation donde el programa pide número de veces que quiere que se repita una pieza, distancia entre ellas y dirección. De esta forma el archivo sólo almacenará un tornillo, mientras que si se hace Existing Component tantas veces como tornillos se necesitara, se guardarían otras tantas.

Ilustración 88

6.2.

Rueda trasera

El ensamblaje de la rueda trasera es prácticamente igual a la delantera, con la salvedad de que además del disco de freno, ésta tiene que sujetar al plato. Es en el sistema de sujeción del plato donde se centrará este apartado, ya que es un sistema particular de invención propia del autor de este trabajo junto a otro compañero, especialmente pensado para la competición. Se comienza con el sistema de sujeción del plato propio de la llanta. Primero se colocan cuatro silent-blocks en un alojamiento determinado para ellos (Ilustración 89). Se utilizan las herramientas de Coincidence y Contact Surface.

Ilustración 89

64

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González A continuación se posiciona el embrague de masa, pieza inicialmente encargada de sujetar y centrar el plato.

Ilustración 90

El sistema ideado es el siguiente, el plato o corona tendrá colocado en cada uno de sus agujeros un tornillo con su respectiva tuerca de forma permanente. Con ello se consigue que el plato tenga una serie de tetones en ambas caras (Ilustración 91) con los que transmitir el movimiento del motor a la rueda.

Ilustración 91

65

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González Una de las piezas de invención propia para este sistema es el adaptador del plato, la cual va fijada al embrague de masa a partir de 6 tornillos. Contiene 3 alojamientos para los tetones del plato, y está perfectamente centrado en la llanta gracias a una acanaladura en su parte posterior.

Ilustración 92

Ilustración 93

Se coloca el plato sobre el adaptador y a continuación una serie de piezas cuyo objetivo es centrar y sujetar el plato, además de permitir el giro relativo entre la llanta y el eje. Estas piezas son un casquillo, un rodamiento y dos piezas también de invención propia, como son el sujetaplato y el empujador.

Ilustración 94

Para tener una imagen más clara del montaje y comprobar el perfecto ajuste de todas las piezas que componen el conjunto, se hace uso de la 66

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González herramienta Sectioning (Ilustración 95). Se puede acceder a ella a través de la paleta de herramientas Space Analysis o desplegando el menú Analyze de la barra de herramientas. Esta herramienta permite realizar un corte de una pieza o conjunto a partir de un plano, el cual puede colocarse según convenga.

Ilustración 95

6.3.

Chasis, subchasis y estriberas

Como se comentó anteriormente, el chasis es la pieza estructural más importante y a él se unen otras como las estriberas o el subchasis, fundamentales para una conducción cómoda por parte del piloto. Al realizarse durante el montaje de este conjunto un gran número de operaciones de ensamblaje, se debe comprobar que todo tiene un encaje perfecto y no ocurran interferencias no deseadas. Para realizar esta comprobación se hace uso de la herramienta Clash dentro de la paleta Space Analysis. Como es habitual en este módulo, se comienza con la pieza principal, que será anclada. En este caso parece lógico empezar por el propio chasis. A continuación se colocan las placas de las estriberas y los pedales.

67


Ilustración 96

Se decide ensamblar al chasis los ejes del motor y de las bieletas, además de todos los tornillos oportunos, ya que estas piezas serán parte fija con el chasis y en el caso de las bieletas servirán como eje de rotación.

Ilustración 97

Para fijar los ejes y tornillos, se usan tuercas normalizadas.

68


Ilustración 98

Por último se coloca el subchasis. Su posición relativa dentro del chasis se definió atendiendo a las medidas del piloto y con el objetivo de proporcionarle una posición de pilotaje cómoda.

Ilustración 99

Para comprobar posibles interferencias se usa la herramienta Clash. Lo primero que pregunta el programa es el tipo de contacto que se quiere visualizar, pudiéndose permitir una penetración entre piezas con una distancia a definir por el usuario. En este caso se realiza el análisis predeterminado que incluye interferencias y contactos entre todos los elementos. 69

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González Aparece el siguiente cuadro:

Ilustración 100

Se puede observar que se muestra los dos cuerpos entre los que existe un contacto o interferencia, el tipo de contacto y en el caso de ser una interferencia, su valor. Además el propio programa de forma predeterminada los clasifica en relevantes, no relevantes, inspeccionados, no inspeccionados; esto es muy útil a la hora de crear un informe. En este caso existen varios contactos, y algunas interferencias. Éstas últimas se deben a los tornillos de las estriberas. Los agujeros se realizaron con la herramienta Hole seleccionado un agujero roscado y normalizado. CATIA toma como diámetro de un agujero roscado la distancia entre picos del filete, la cual es inferior al diámetro del tornillo, y por lo tanto se crea una interferencia. Al ser unas interferencias controladas, se anotan como no relevantes. Además CATIA abre una ventana secundaria (Ilustración 101) donde se visualiza el contacto o interferencia entre las dos piezas, representando exclusivamente estas piezas para una mayor claridad del evento.

70


Ilustración 101

6.4. Otros conjuntos Horquilla de dirección

Ilustración 102

71


Botellas de dirección

Ilustración 103

Manillares

Ilustración 104

72


Ilustración 105

Bieletas Se le ha dado un grado de transparencia a las propias bieletas para poder observar con mayor claridad el conjunto.

Ilustración 106

73

Ilustración 107


Basculante

Ilustración 108

Finalmente se puede proceder a realizar el ensamblaje final de todos los sub-ensamblajes anteriormente expuestos, atendiendo a las restricciones geométricas que definen la motocicleta y que se decidieron en procesos anteriores al diseño. Con la intención de usar este montaje en el módulo de DMU Kinematics, lo primero que se hace es definir un cuerpo base que servirá como carretera. Consiste en tres líneas rectas, una sería el suelo propiamente dicho, y las otras dos servirán de apoyo a los ejes de las ruedas. Si se montara la motocicleta de forma real, al apoyarla en el suelo ambas suspensiones se acomodarían al peso propio de la motocicleta, quedando, lógicamente, las dos ruedas reposando sobre el suelo. Este acomode de las suspensiones no se puede conocer a priori. Las cuatro variables que definen la geometría de la motocicleta en reposo son: Distancia entre ejes, Ángulo de avance (ángulo formado entre la pipa y la vertical), distancia entre ejes del amortiguador trasero y distancia entre el eje de la rueda delantera y la cabeza de los cilindros. El ángulo de avance se definió al decidir la geometría del chasis y viene determinado por ser una motocicleta de carreras; por lo tanto se opta por definir la distancia entre ejes del amortiguador trasero, dejando las otras dos variables libre de forma que la motocicleta se pueda adaptar a todas las restricciones impuestas. El proceso seguido fue: colocar ambas ruedas (haciendo Coincidence de cada eje con su línea correspondiente), colocar las botellas de la dirección 74

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González sobre la rueda delantera, a continuación los cilindros con las cazoletas, los manillares y posteriormente el chasis. Para terminar se monta el sistema de suspensión trasero (bieletas, basculante y amortiguador trasero) uniendo la rueda trasera al eje del basculante. El resultado es el siguiente:

Ilustración 109

Ilustración 110

75


Capítulo 7. Animación y Despiece Además de modelar piezas y crear conjuntos, CATIA tiene la posibilidad de poder animar mecanismos y crear vídeos de estas animaciones. El espacio de trabajo en cuestión se llama Digital Mockup, en el que se permite no sólo crear animaciones, sino también realizar comprobaciones y análisis de los mecanismos. Dentro de las posibilidades que ofrece este espacio de trabajo, los módulos que se expondrán en este capítulo son DMU Fitting y DMU Kinematics.

7.1.

DMU Kinematics:

Todo sólido rígido tiene seis grados de libertad, tres translaciones y tres giros, pero si este sólido forma parte de un mecanismo, los pares cinemáticos entre sólidos restringen estos grados de libertad de forma que sólo queda el movimiento permitido por el conjunto. Esta es la filosofía en la que se basa DMU Kinematics, el cual trabaja a partir de un ensamblaje ya creado en Assembly Design. El primer paso necesario para crear un mecanismo es elegir un sólido base, a partir del cual se unirán el resto. Para ello se pulsa la herramienta Fixed Part dentro de la paleta DMU Kinematics. Posteriormente se podrán definir todos los pares cinemáticos necesarios entre los sólidos que formen el mecanismo usando la paleta de herramientas Kinematics Joints. En el proyecto que nos ocupa, se toma el sólido base (carretera) definido en el capítulo anterior como sólido fijo para la simulación. Se pretende conseguir que la motocicleta recorra una distancia en línea recta. Si no se tiene en cuenta la transferencia de carga durante el movimiento, se puede suponer que la motocicleta está formada por un sólido rígido sobre dos ruedas. De esta forma y usando la herramienta Rigid Joint se unen la suspensión delantera, el chasis y la suspensión trasera a un sólido auxiliar. Este sólido consiste en una línea horizontal coincidente con el sólido base, y tres líneas perpendiculares al plano medio de la moto en los ejes de las ruedas y el piñón. A continuación se usa la herramienta de par prismático entre el sólido auxiliar y el sólido base para definir el movimiento rectilíneo de la motocicleta sobre dicho sólido base y seguidamente se definen dos pares de revolución entre las ruedas y el sólido auxiliar. 76

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González El siguiente paso es poder relacionar los pares anteriores, ya que en la realidad la motocicleta se mueve sobre la carretera porque el piñón transmite el movimiento del motor a través de la cadena al plato, y éste a la rueda trasera, la cual gracias al rozamiento entre el neumático y el asfalto impulsa a la motocicleta hacia delante, y por lo tanto la rueda delantera también se mueve. Para conseguir esta serie de movimientos se usan las herramientas Gear Joint y Rack Joint. La primera es un par de engranaje, para lo que se necesitan dos pares de revolución y una relación entre ellos. Este tipo de par de usa entre el piñón y la rueda trasera; y entre las dos ruedas. La relación de engranaje entre el piñón y la rueda trasera viene definida por el número de dientes del piñón y el plato (como se explicó en el capítulo 5). El segundo par es un par piñón-cremallera y se usa para simular el movimiento transmitido por la rueda trasera al suelo, en este caso el sólido base. A continuación se da movimiento a la cadena. Debido a limitaciones técnicas se decide modelar y simular la cadena en un archivo CatProduct distinto. Para conseguir que la cadena se mueva a la vez que lo hace la motocicleta, es necesario ensamblarla dentro del conjunto final, lo que supone añadir más de 100 sólidos y más de 200 restricciones y pares cinemáticos. ordenador información deNuestro una forma efectiva.no está preparado para manejar tanta Se prosigue con la explicación de montaje de la cadena. La elaboración de la cadena es uno de los trabajos más laboriosos y tediosos dentro del proyecto, ya que no sólo se trata de modelar, lo que facilitaría la tarea enormemente, sino de dar movimiento a la propia cadena de forma coherente al de la motocicleta. La cadena tiene una relación muy estrecha con el piñón y el plato o corona, como ya se comentó en capítulos anteriores. Esta relación determinará el movimiento de las piezas. Dentro del módulo de Assembly Design, lo primero que debe realizarse es la creación de un Part que servirá de base, el cual constará de dos polilíneas, que a su vez se forman por dos curvas y dos rectas, cuya geometría viene definida por el piñón y el plato. A continuación se coloca el primer eslabón que servirá como guía al resto usando relaciones de ensamblaje. Posteriormente se pasa al módulo DMU Kinematics donde hay que definir el mecanismo eligiendo al Part con las líneas guías como anclaje. Este primer eslabón necesita de tres pares cinemáticos para quedar definido (dos pares de punto deslizante y uno de 77

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González rodadura con deslizamiento). El siguiente eslabón sólo necesitará dos (par de revolución entre eslabones y punto deslizante con la línea guía). El resto de eslabones también necesitarán sólo dos pares. Una vez rellanada una de las rectas que forman las líneas guía, ya que no se pueden seleccionar líneas curvas a la hora de imponer restricciones de montaje, se tiene que mover el conjunto para hacer espacio a más eslabones. Para ello se simula pinchando en Simulation with Commands. Aparecerá un cuadro (Ilustración 111) en el que se puede mover una barra y desplazarse por la animación usando las teclas típicas de vídeo.

Ilustración 111

Una vez colocada la cadena en el lugar deseado, se vuelve al módulo de Assembly Design, donde se pedirá actualizar. Como se ha comentado anteriormente, no se puede seleccionar una línea curva al imponer restricciones de ensamblaje, por lo que CATIA interpreta que todos los eslabones deben estar en la línea recta, por lo tanto si se actualiza el archivo, todos los eslabones se alinearán (Ilustración 112), lo cual no es un resultado posible. Para evitar esto, lo que se debe hacer es trabajar en el árbol. Se abren las Constraint y desplazándose verticalmente se observa que algunas necesitan actualización (todas aquellas que están involucradas con la línea guía). Abriendo el menú contextual y pinchando sobre Object se despliega un sub-menú contextual donde una de las opciones es Deactivate, se pulsa sobre ella. Se tiene que realizar la misma acción sobre todas y cada una de las restricciones que necesiten actualización. De esta forma se evita que la cadena se desplace. 78


Ilustración 112

Realizando este proceso las veces necesarias hasta rellenar la línea guía, se obtiene la cadena.

Ilustración 113

Finalmente se añaden el piñón y el plato (Ilustración 114). Usando el par de engranaje, se relaciona el giro de ambos. Se selecciona el giro del piñón como variable de entrada, o Command.

79


Ilustración 114

En estos momentos se tienen dos variables de entrada, una para la cadena y otra para el piñón-plato, pero ambas están relacionadas. Para definir esa relación se necesita un vínculo y este será un sketch aleatorio sobre el Part Base. Pinchando en el árbol sobre los dos Commands, se selecciona Object, Definition donde se abrirá una nueva ventana (Ilustración 115). En ella aparece una opción Link donde se podrá elegir el sketch anterior. Realizando esto sobre las dos variables de entrada, ambas estarán conectadas.

Ilustración 115

De forma predeterminada la relación entre ambas variables es de 1mm recorrido por la cadena corresponde a 1º de giro del piñón, por tanto se tiene un movimiento descompensado entre ambos elementos. Se calcula la longitud de un arco de circunferencia del diámetro primitivo del piñón para 1º. En este caso es de 0,463mm. Cambiando esta relación que se tenía como predeterminada por la calculada, se tiene una perfecta sincronización entre la cadena y las ruedas dentadas.

80


7.2.

DMU Fitting

Para realizar un estallado y montaje de un conjunto existen dos opciones en CATIA DMU Navigator o DMU Fitting. La gran diferencia que existe entre ambos es la posibilidad que tiene el segundo en seleccionar y mover más de un sólido a la vez, lo que es muy útil en conjuntos de muchas piezas como es el caso.

DMU Fitting ofrece dos herramientas para realizar los movimientos: Shuttle o Track. En el primer caso el proceso consiste en definir los grupos de piezas que se quieran mover conjuntamente, desplazándolos poco a poco y grabando en Simulation las distintas posiciones. El segundo caso implica, como su propio nombre indica, generar una serie de trayectorias asociadas a las piezas o conjuntos de piezas que después se unirán en una secuencia. A grandes rasgos éstas son las características de las dos posibilidades que se presentan. Para realizar la animación se ha optado por una combinación de las dos; es decir, se han creado grupos de piezas a mover conjuntamente con Shuttle, pero se han definido sus movimientos a través de una serie de trayectorias. Este es el procedimiento más óptimo para generar un despiece. Cabría la posibilidad de realizar todo el proceso usando sólo la opción Shuttle, pero su inconveniente es que la simulación se tendría que crear paso a paso, lo que resulta lento y tedioso. Al igual que si sólo se usara Track se tendría que mover pieza a pieza. Por tanto la metodología a seguir es, usando Shuttle se crean todos los grupos de piezas que tendrán un movimiento conjunto, incluso si son piezas unitarias. De esta forma se deja todo preparado para crear las trayectorias de cada grupo con Track. Para crear un Track de forma eficaz se recomienda usar la herramienta Editor dentro de la paleta Manipulation (Ilustración 116), la cual permite mover cualquier pieza o grupo de piezas de forma exacta a partir de unos valores rotación a rellenar por el usuario. Aunque también en se desplazamiento pueden realizar ylos movimientos simplemente arrastrando el Compass.

81


Ilustración 116

Algo muy importante que hay que tener en cuenta al manejar Tracks, es que las piezas quedan en la posición final del desplazamiento. Esto es muy útil para encadenar movimientos y hacer movimientos compuestos (como mover primero un grupo de piezas, y desde la nueva posición, mover tan sólo unassrcinal pocasbastará piezas con de todo el sobre conjunto). Para posición pulsar el icono dedevolver Reset. las piezas a su

Ilustración 117

82


Ilustración 118

Una vez creados todos los Tracks, se quiere crear la simulación del despiece de forma continuada, es decir crear una secuencia. La herramienta Edit Sequence (Ilustración 119) permite organizar los Tracks a través de un cuadro en el que se pueden modificar el orden y duración de los Tracks, además de unir dos ó más en una secuencia, ó configurar solape entre dos de ellos.

83


Ilustración 119

El objetivo del despiece no es otro que llegar a tener un mayor entendimiento de la motocicleta y su funcionamiento, por ello se pretende que este despiece y montaje siga la forma más fidedigna posible a la realidad, aunque hay ocasiones donde la propia tecnología de CATIA hace imposible conseguirlo. Es el caso por ejemplo de la cadena; en la realidad, la primera vez que se montase, ésta debería estar abierta para poder colocarla atravesando el basculante y el porta-estribera, como en CATIA no existe la opción de abrir la cadena es imposible que se realice el montaje de esta manera. A continuación se muestran una serie de ilustraciones representando diferentes escenas del despiece realizado.

84


Ilustración 120

Ilustración 121

85


Ilustración 122

Ilustración 123

86


Ilustración 124

Ilustración 125

87


Ilustración 126

Ilustración 127

88


7.3.

Video

Tanto para la simulación cinemática como para el despiece se pueden crear vídeos con formato externo a CATIA (.avi) para una posterior reproducción en un ordenador o reproductor sin necesidad de tener instalado el programa. Para el caso del módulo Kinematics, lo primero que hay que hacer es crear una simulación a partir de la herramienta Simulation dentro de la paleta DMU Generic Animation. A continuación, pulsando sobre Compile Simulation se tiene la opción de crear un replay, que no es más que una repetición de la simulación, o crear un archivo de video. En el caso del módulo Fitting, se crea el archivo de vídeo directamente de la secuencia. Para ello, pulsando sobre Tools en la barra de herramientas, se encontrará una opción llamada Simulation y dentro de ésta, Generate Video, donde simplemente se pide elegir la secuencia que se quiera grabar. Además de estas opciones, de forma común a ambas es posible generar un vídeo grabando directamente la pantalla de trabajo de CATIA a partir de una herramienta propia del programa. Desplazándose por la barra Tools se observa la opción Image donde además de realizar instantáneas de la pantalla (Capture), se puede grabar todo lo que se haga en directo (Video). Todos los casos anteriores tienen dos problemas fundamentales, uno que el tamaño de los archivos de vídeo que se crean son enormes, llegando al ratio de más de 100Mb por segundo de vídeo. Además de existir una incompatibilidad de Codecs (programas encargados de decodificar y codificar archivos de audio y vídeo para su correcta reproducción). Debido a las dificultades encontradas, se decide hacer uso de un programa externo a CATIA llamado Camtasia, el cual permite la grabación continúa de la pantalla. De esta forma el procedimiento a seguir es, se enciende Camtasia, se reproduce una simulación o una secuencia y se apaga el programa. Posteriormente, se edita el vídeo creado en el mismo programa, obteniéndose la porción deseada, tanto en tiempo como en pantalla. A continuación se muestra una la interfaz que muestra el programa cuando se edita un video.

89


Ilustración 128

90


Capítulo 8. Renderizado El término Render proviene del inglés y se refiere a la creación de imágenes foto-realistas a partir de un espacio creado por estructuras poligonales. Durante el proceso se añaden colores, texturas e iluminación, consiguiendo resultados muy cercanos a la realidad. CATIA contiene un módulo dentro del espacio de trabajo Infrastucture denominado Real Time Rendering, donde se puede aplicar material a cada pieza, cambiar colores o posicionar un objeto en un escenario, consiguiendo resultados aceptables dentro del mundo del renderizado. En el mercado existen programas especialmente diseñados para esta tarea donde se consiguen resultados más potentes que en CATIA. Debido a que, como ya se comentó en el capítulo introductorio, el trabajo aquí realizado forma parte de un proyecto que engloba a un equipo de competición donde la excelencia es un requisito, se decide utilizar un programa externo a CATIA para este cometido. Dentro del mercado existen varias opciones, como 3DStudio (también de la empresa Systemes ), KeyShot Indigo Render ó V-ray . Frente apor todas estas opciones Dassault se eligió el software . El más recomendado su fácil manejo, por ser muy intuitivo, lo que no lo limita a la hora de conseguir resultados profesionales. La interfaz es muy sencilla (Ilustración 120), dividiéndose la pantalla en tres partes, una a la izquierda conteniendo la biblioteca de colores, texturas, etiquetas, iluminación y fondos; otra central donde se encontrará el objeto a renderizar; y una a la derecha donde se encuentran las opciones de configuración.

Ilustración 129

91

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González A continuación se expone en imágenes el proceso seguido hasta el resultado final obtenido:

Ilustración 130

Ilustración 131

92


Ilustración 132

Ilustración 133

93


Capítulo 9. Conclusión Durante la realización de este proyecto se han explorado y explotado varios módulos de trabajo del programa CATIA V5 R20, tales como Part Design, Generative Shape Design, Assembly Design, DMU Kinematics ó DMU Fitting demostrándose un manejo suficiente en todos ellos y enseñando las bondades y puntos menos fuertes de este programa. Se puede concluir que CATIA V5 es uno de los programas CAD más potentes en el mercado, donde se consiguen resultados reales y totalmente aplicables a la industria. Además CATIA se caracteriza por tener un entorno intuitivo al que el usuario puede adaptarse fácilmente, lo que ayuda a su integración dentro de una empresa. Hay también que mencionar que además de muchas cualidades, CATIA tiene puntos débiles que se han ido encontrando a lo largo del proyecto, como es el caso del diseño de la cadena. El hecho de que no se permita seleccionar una línea curva en la determinación de un par de punto deslizante en el módulo DMU Kinematics, obligó a crear una cadena totalmente tensa lo que no es real ni efectivo. Este hecho sumado a que la distancia entre ejescomo del piñón y el platoque estaba por lahacer geometría de la motocicleta, trajo consecuencia fuesefijada imposible coincidir el perímetro de la cadena con el número de eslabones, obteniéndose una cadena no cerrada. El objetivo impuesto al comienzo de este proyecto fue el de diseñar una motocicleta de carrera, lo cual se puede afirmar que como mecanismo si se ha conseguido (estando modeladas en su totalidad las ruedas, la suspensión delantera, el chasis, el amortiguador trasero, junto con el basculante y el motor, la motocicleta puede mantenerse en pie e incluso rodar), aunque faltan algunas piezas imprescindibles para su funcionamiento real, como serían el radiador, las manetas de frenos y embrague ó el depósito. Completar la motocicleta se deja para posteriores trabajos dentro del equipo o para futuros proyectos. Se quiere además hacer mención de que la ejecución de este proyecto no sólo supuso el diseño propiamente dicho de una motocicleta de carrera sino además coordinar un grupo de trabajo. Como se ha mencionado anteriormente, el proyecto forma parte del equipo US-Racing Engineering, el cual lo forman más de 20 estudiantes, algunos de ellos encargados del diseño de piezas concretas (las cuales se pueden ver en el Capítulo 5). Este 94

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González hecho conlleva crear una metodología de trabajo, decidir un tipo de fichero común, además de llevar un seguimiento periódico del proceso de diseño, para que no sólo se llegue a obtener satisfactoriamente una pieza unitaria, sino que además quede perfectamente englobada dentro de un conjunto más amplio.

95


Capítulo 10.Bibliografía [1] Motostudent.com, «Motostudent 2013,» [En línea]. Available: http://www.motostudent.com/. [Último acceso: 11 Mayo 2014]. [2] Totalmotorcycle.com, «The History and Future of Motorcycles and motorcycling - From 1885 to the Future. Electric, Gas, Diesel, Hybrid Motorcycles,» [En línea]. Available: http://www.totalmotorcycle.com/future.htm#1800s. [Último acceso: 11 Mayo 2014]. [3] E. Britannica, «motorcycle (vehicle),» [En línea]. Available: http://global.britannica.com/EBchecked/topic/394358/motorcycle. [Último acceso: 11 Mayo 2014]. [4] G. Georgano, Early and vintage years 1886-1930, Broomhall: MAson Crest Publishers, 2002. [5] J. Lienhard, Inventing modern, Nueva York: Oxford University Press, 2005, pp. 120-121. [6] L. Setright, The Guinness book of motorcycling facts and feats, Enfield: Guinness Superlative, 1979. [7] M. Walker, Motorcycle, Baltimore: Johns Hopkins University Press, 2006. [8] M. USA, «Triumph Motorcycle History,» [En línea]. Available: http://www.motorcycle-usa.com/689/2598/MotorcycleArticle/Triumph-Motorcycle-History.aspx. [Último acceso: 11 Mayo 2014]. [9] Pcmotors.com, «History of Harley-Davidson Motor Company,» [En línea]. Available: http://pcmotors.com/harley.html. [Último acceso: 11 Mayo 2014]. [10] V. Willoughby, Exotic motorcycles, Londres: Osprey, 1982. [11] M. A. Paz, Motocicletas, Madrid: Dossat, 2003. [12] SolidWorks, «Historia de la empresa,» [En línea]. Available: http://www.solidworks.es/sw/656_ESN_HTML.htm. [Último acceso: 18

96

Diseño en CATIA V5 de una motocicleta de carreras Víctor Vallejo González 06 2014]. [13] Mbinfo.mbdesign.net, «Marian Bozdoc's History of CAD,» [En línea]. Available: http://mbinfo.mbdesign.net/CAD-History.htm. [Último acceso: 11 Mayo 2014]. [14] Cadazz.com, «CAD software history CAD CAM computer aided design,» [En línea]. Available: http://www.cadazz.com/cad-softwarehistory.htm. [Último acceso: 11 Mayo 2014]. [15] Motogp.com, «motogp.com,» [En línea]. Available: http://www.motogp.com/es/MotoGP+Basics/history. [Último acceso: 12 Mayo 2014]. [16] F. J. R. Gómez, «Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas. Proyecto fin de carrera,» 2010.

97

Diseno en Catia v5 de Una Moto de Competicion

Recommend Documents