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Ingeniería Fácil

14/7/2022

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Ingeniería

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE
MEXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES
CUAUTITLAN

DISEÑO DE VEHÍCULO ELÉCTRICO DE COMPETENCIA
FÓRMULA ELECTRATÓN

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA

P R E S E N T A :

OMAR VARGAS ALFREDO

ASESOR: ING. MARIANO GARCÍA DEL GÁLLEGO

CUAUTITLAN IZCALLI, EDO. MEXICO 2010

UNAM – Dirección General de Bibliotecas
Tesis Digitales
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objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para
fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo
mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro,
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el
respectivo titular de los Derechos de Autor.

Este trabajo esta
dedicado a:

A mis padres y abuelos por todo
el amor, cariño y apoyo que
siempre me brindaron.

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mis padres Celestino Vargas Lucas y Estefanía Alfredo Gutiérrez el amor,
cariño, comprensión, al enorme esfuerzo y sacrificio hecho por ellos al darme la
oportunidad y brindarme el apoyo para realizar mi educación profesional, ya que sin
ellos no habría podido realizar mi carrera, GRACIAS.

Agradezco el afecto, el apoyo y la confianza que siempre me brindaron todos mis
hermanos: Nelson, Cesar, Celestino e Isaac.

Agradezco al DR. Adrián Espinosa Bautista por haberme permitido ingresar al Centro
de Diseño Mecánico e Innovación Tecnológica (CDMIT).

Agradezco al Ing. Mariano García del Gállego por la confianza que me brindo dentro
del CDMIT, asi como por la enseñanza y el apoyo que me brindo durante la realización
de mi tesis.

Agradezco al equipo de diseño: Cesar Noriega, David Horton y Antonio Quiroz por su
valiosa ayuda en el diseño de este vehículo.

Agradezco al M.I. Antonio Zepeda Sánchez y al Ing. Martín Reyes Farías por el apoyo
que me brindaron durante la realización de mi tesis.

ÍNDICE
OBJETIVO ..................................................................................................................... 1

CAPÍTULO 1.- ANTECEDENTES

1.1 Historia del auto eléctrico ....................................................................................... 2
1.2 Historia de Electratón. ............................................................................................ 4
1.3 Electratón en México. ............................................................................................. 6

CAPÍTULO 2.- PARÁMETROS DE DISEÑO DE ELECTRATÓN

2.1 Autos fórmula electratón ..................................................................................... 10
2.2 Vehículos Inclinables .......................................................................................... 10
2.3 Ergonomía ........................................................................................................... 11
2.3.1 Restricciones de peso al piloto y lastres ....................................................... 11
2.3.2 Movilidad del piloto. .................................................................................... 11
2.3.3 Espejos y visibilidad ..................................................................................... 12
2.3.4 Seguridad del conductor. .............................................................................. 13
2.4 Materiales ............................................................................................................ 17
2.4.1 Plásticos ........................................................................................................ 17
2.4.2 Metales ......................................................................................................... 19
2.5 Elementos de un auto de competencias. ............................................................... 21
2.5.1 Dimensiones .................................................................................................. 21
2.5.2 Chasis. .......................................................................................................... 21
2.5.3 Sistemas mecánicos ...................................................................................... 24
2.5.3.1 Transmisión ............................................................................................ 24
2.5.3.2 Sistema de suspensión ............................................................................ 28
2.5.3.3 Sistema de dirección ............................................................................... 30
2.5.3.4 Frenos ..................................................................................................... 38

2.5.4 Sistema eléctrico. .......................................................................................... 39

CAPÍTULO 3.- DISEÑO

3.1 Diseño Conceptual ................................................................................................ 43
3.2 Diseño del Chasis. ............................................................................................... 43
3.2.1 Estructura principal........................................................................................ 44
3.2.2 Sistema de inclinación ................................................................................... 46
3.2.3 Calculo de Inclinación. .................................................................................. 49
3.2.4 Diseño de inclinación .................................................................................... 52
3.2.5 Ensamble de Chasis con sistema de inclinación. ........................................... 55
3.3 Sistema de dirección. ............................................................................................ 57
3.3.1 Cálculo de Dirección. .................................................................................... 59
3.4.- Cálculo de sistema de transmisión ..................................................................... 63

CAPÍTULO 4.- DISEÑO A DETALLE

4.1 Diseño a Detalle.................................................................................................... 69

CONCLUSIÓN ............................................................................................................. 70

APÉNDICE A

APÉNDICE B

BIBLIOGRAFÍA

OBJETIVO

Diseñar un vehículo eléctrico de competencia fórmula electratón con inclinación en
ruedas delanteras.

CAPÍTULO 1
ANTECEDENTES

1.1 Historia del auto eléctrico

Entre 1832 y 1839 Robert Anderson de Escocia invento el primer transporte eléctrico.
Practicas más exitosas de vehículos eléctricos se inventaron en América por Thomas
Davenport y Robert Davidson alrededor de 1842. Los carros eléctricos usaban baterías
recargables que impulsaban un pequeño motor eléctrico. Eran pesados, lentos, costosos
y necesitaban detenerse con frecuencia para ser recargados. Pese a los inconvenientes,
los vehículos eléctricos fueron los más vendidos alrededor de 1900.

Francia y Gran Bretaña fueron las primeras naciones para apoyar la generalizaciónde
desarrollo de vehículos eléctricos a finales de 1800. En 1899, un belga construyo un
coche eléctrico de carreras llamado "La Jamais Contente" y establecer un récord
mundial de velocidad de la tierra de 105km/h, diseñado por Camille Jénatzy.

Fig. 1 La Jamais Contente.

Los autos eléctricos se fabricaron por docenas de empresas hasta principios de la década
de 1920. Su reputación de confiables, silenciosos y eficientes los hacía atractivos,
eliminando el largo proceso de arranque de los autos de vapor o el molesto arranque de
manivela en los de gasolina. Un modelo popular era el Detroit Electric, fabricado por
3

Anderson Carriege Company de Detroit. Disponible en varios estilos de carrocería,
incluyendo uno llamado el cupé del médico, la marca tuvo sus mejores ventas a fines de
la década de 1910 y principios de los años veinte.

La invención del arranque eléctrico para los motores de gasolina hizo que los autos
fuesen más fáciles de usar y más accesibles para aquellos que no tenían la fuerza para
arrancarlos a mano. El arranque eléctrico selló la suerte de los primeros autos eléctricos
a medida que las carreteras mejoraban y la gente manejaba distancias más largas.

Después de la Segunda Guerra Mundial surgió un nuevo tipo de autos eléctricos.
Muchos fabricantes independientes trataron de fabricar un auto eléctrico que resultase
barato y que cubriese más distancia con una sola carga. Pero el peso de la batería y la
duración de la carga seguían siendo problemas.

Algunas de esas compañías ya eran parte de la industria automotriz, incluyendo la Kish
Industries de Lansing, Michigan. Su anuncio del modelo Nu-Klea Starlite mostraba un
auto con una cubierta transparente tipo burbuja que según las cartas enviadas a los
posibles compradores en 1961, estaba por llegar al mercado.

Con un precio de $3,950, sin radio o calefacción, el auto prometía “una carrocería bien
diseñada, baterías plomo-ácido para suministrar la energía, un alcance de unas 40 millas
con velocidades de unas 40 millas por hora.” Para 1965, otra carta de Nu-Klea decía
algo distinto. “Trabajamos mucho en el auto eléctrico, gastamos mucho dinero para
terminarlo, y luego nos quedamos sin fondos, por lo que ha sido temporalmente
descartado.” Nunca más se supo del Nu-Klea.

La Henney Motor Company de New Cork usó el chasis y carrocería de un Renault
Dauphine para fabricar su auto eléctrico Henney Kilowatt en 1959, que se vendía por
$3,600. Un Kilowatt que se describió como en buenas condiciones se vendió en el 2005
en una subasta en Branson, Mo. Por $5,194.

Renault que han sido alterados son un tema que vuelve entre los fabricantes
norteamericanos de carros eléctricos. El MARS I y el MARS II, vehículos producidos
en Michigan por Electric Fuel Propulsión, eran Renault Dauphines y modelos R-10,
4

respectivamente. En 1967 el MARS II dio el impulso para una serie de cinco estaciones
de carga rápida en los hoteles Holiday Inns, junto a la carretera 94 entre Chicago y
Detroit.
En 1979-1980, el Lectric Leopard de la empresa U.S. Electricar Corporation de Atole
Mass., tenía como base un Renault R-5 o el Le Car, como se le conocía en el mercado
norteamericano.

Uno de los autos eléctricos que se vendieron mejor fue el CitiCar, fabricado desde 1974
al 1976 por la Sebring-Vanguard Company en Sebring, Florida. Básicamente un carrito
de golf con corneta, luces, señales para doblar y limpiaparabrisas, el CitiCar tenía una
cabina cerrada con calefacción y radio opcionales, y tenía capacidad para dos personas
algo apretadas. El CitiCar fue reemplazado por el Comuta-car, un estilo idéntico con
asientos para dos. En una subasta reciente, un CitiCar modelo 1975 en buenas
condiciones se vendió por $920.

Solectria, una compañía en Woburn, Mass., dice haber fabricado más de mil vehículos
eléctricos. Quizás el mejor conocido es el Solectria Force, basado en el subcompacto
Geo de la General Motors. En la década de 1990, Solectria ganó las carreras American
Tour de Sol de la Asociación de Energía Sostenible del Noreste varias veces.

1.2 Historia de Electratón.

En 1966, la tecnología del auto eléctrico fue motivo de interés para numerosos grupos,
desde pequeños talleres mecánicos hasta compañías automotrices. Desafortunadamente
la tecnología de estos autos no se había desarrollado lo suficiente como para ser
considerada como una alternativa competente. Todavía quedaba mucho trabajo y
desarrollo por delante.

Para 1978, en Inglaterra, recordando algunas carreras de autos y viendo que la creación
era una buena manera de llamar la atención de la gente, se inauguró una competencia
dirigida para la asociación de autos eléctricos en colaboración con el instituto de
ingeniería mecánica de Londres. Esta competencia estaba dividida en dos partes: en la
primera se desarrollaba el diseño y en la segunda se llevaba a cabo la construcción del
5

prototipo y la competencia. Todos los participantes mostraron mucho interés y
entusiasmo, este evento es considerado como el primer evento electratón.

En 1981 el lugar se traslado a un lugar más apropiado, con dificultades tecnológicas y
de circuito diferentes. De aquí en adelante, año con año esta competencia fue tomando
forma, incrementando las dificultades y las medidas de seguridad. Por ejemplo en 1982,
a consecuencia de un percance que se tuvo en la competencia de 1981, los pilotos
empezaron a utilizar casco y ropa protectora, además de proveer al vehículo de
acojinamientos para la protección del conductor.

En 1988 la empresa Cannon patrocino la competencia electratón en busca del
desarrollo del poder eléctrico para el uso de vehículos en carretera, concediendo
permisos especiales y becas de estudio.

En 1990 el electratón creó tres diferentes eventos: el primero llamado “electrokhana”
que consistía en levantar objetos por un recorrido zigzagueante durante 30 minutos; el
segundo, el “electrociclo” solo para vehículos de dos ruedas; y el “electratón” planeado
para vehículos de tres y cuatro ruedas. También en 1990 el campeón del electratón
australiano, Clarck Beasley, llevo su vehículo a los Estados Unidos para intentar
promover la primera carrera electratón internacional. Beasley fundó la nueva asociación
de carreras electratón (new electrathon racing association “n.e.r.a”) para dar lugar a la
primera competencia americana. En esta carrera participaron escuelas privadas y
diferentes asociaciones de autos eléctricos.

C. Beasley y S. Van Ronk reunieron a un grupo de personas para que les ayudaran a
promover la educación del nuevo concepto de energía alternativa. Dicho grupo concreto
un programa educativo y se dio a la misión de organizar una serie de nuevas
competencias.

La copa electratón realizada en 1990 en los Estados Unidos consistió en tres
competencias llevadas a cabo en diferentes lugares en california. La primera de estas
competencias tuvo lugar en “Cerritos College”, en el estacionamiento de un autódromo
donde la pista fue delimitada por conos y banderines con un recorrido de media milla,
con curvas abiertas y otras muy cerradas. Cinco millas al sur de san francisco, en la
6

población de Pacifica, tuvo lugar la segunda competencia de la copa, trayendo
espectadores desde florida, Hawái, y Washington, en donde aparecieron autos
especiales traídos por la asociación de autos eléctricos. La competencia final, con la que
se clausuraría el evento se realizo en Ukiah, en conjunto con la expo eléctrico-solar y el
rally de autos alegóricos de 1991.

Durante los siguientes tres meses se siguieron realizando eventos similares, uno con la
asociación de autos eléctricos de Silicon Valley, organizado por Bob Aneeveis, quien
fue el campeón de las primeras carreras.

Después siguieron en “Daenza College” en Cupertino, Californiay por último en
Sebastopol realizado por Gene Karas, maestro de electrónica avanzada y que tuvo como
finalidad servir de introducción para tener buenos prospectos y llevar a competir a
distintas preparatorias.

Para 1992 aparte de la categoría electratón “f/e” (formula electratón) cuyo reglamento
había sido desarrollado en Australia, se creó una nueva categoría, la formula electratón
experimental (“f/ex”), que permitía a los diseñadores de estos vehículos lograr
revolucionarios y audaces prototipos con los que se lograban mejores resultados.

1.3 Electratón en México.

En Febrero de 1993, el movimiento electratón ya había cruzado la frontera norte de
nuestro país, la Lic. Beatriz Padilla, coordinadora del proyecto “Tonatiuh” (primer auto
solar de competencia mexicano), invito a Steve Van Ronk, (fundador de “clean air
revival” C.A.R.) a dar el primer curso de diseño y construcción de vehículos electratón
“f/ex” durante el cual se construyo “Tonalli” en febrero de 1993, hermano pequeño del
auto solar “Tonatiuh”. A partir de este primer curso, se organizo otro en Ciudad
Universitaria el 20 de Junio de 1993 y otro más en ese mismo año en la Universidad de
Colima en donde el auto también fue construido por estudiantes de ingeniería de esa
universidad.

Poco tiempo después viajo a la ciudad de México para competir con el auto “Tonalli “en
uno de los estacionamientos del estadio olímpico de Ciudad Universitaria de la UNAM.
7

Este evento marcaría el primer electratón en México el 20 de junio de 1993, para
Octubre el mismo año “Tonalli” viajo a la ciudad de Colima para llevar a cabo la
segunda carrera de autos electratón en México y que este evento se seguiría
promoviendo.

A principios de 1994, la Lic. Beatriz Padilla forma la asociación “formula sol”, que vino
a ser el primer organismo en México creado para la promoción y organización de
carreras electratón y todo lo relacionado con vehículos que ayuden a la restauración del
medio ambiente, usando como estandarte principal el ambiente de competencia.

A fines de 1994 se comenzó la planeación para la primera copa “electratón formula
experimental f/ex” en una bodega del instituto de ingeniería de la UNAM en el cual
participaron varios integrantes de la escudería Tonatiuh. Para este evento se inscribieron
17 equipos de distintas universidades y grupos particulares del país, siendo alguno de
estos el equipo “raxa caculha” del centro de investigaciones de Diseño Industrial de la
UNAM. El equipo “tavo” de bachilleres plantel 7, etc. El 8 de Abril del mismo año,
comenzó la primera de las cinco carreras que vendrían a dar inicio a una nueva era de
desarrollo de tecnología para México.

La Fórmula Sol, comienza por impartir cursos de diseño y construcción de vehículos
eléctricos F/Ex, escribe un libro para el curso y en 1995 lanza el Primer campeonato
nacional electratón México.
El 29 de Octubre de 1995 en el centro histórico de la ciudad de México se llevo a cabo
la Gran Final del Primer Campeonato Electratón México. Once equipos participaron en
el serial de competencias Electratón México, incluyendo a dos de Colima y dos de
Puebla. Los competidores son:
 Chaac Balam, #2, Particular: Fernando Rejón.
 Corunga, #4, Universidad de las Américas – Puebla.
 Pegaso, #5, Universidad de las Américas – Puebla.
 Raxa, #6, Centro de Investigaciones en Diseño Industrial – UNAM.
 Tavo, #7, Colegio de Bachilleres, Plantel 7 Iztapalapa.
 AvW, #8, Instituto de Ingeniería - UNAM/TONATIUH.
 Coyote, #9, UNITEC: Universidad Tecnológica de México.
8

 Velox, #10, Instituto Iberoamericana.
 Némesis, #11, Instituto Politécnico Nacional.
 #12 & #21, Universidad de Colima.

En noviembre 2004 concluye el décimo campeonato nacional Delphi electratón México,
sumando con ello más de 70 carreras.
Los 12 cursos impartidos hasta la fecha a más de 600 personas se han traducido en la
construcción de más de 250 vehículos electratón, cuyas escuderías han integrado un
total aproximado de 1,700 personas.
Las instituciones educativas participantes en México son:
 ITESM campus Estado de México
 ITESM campus Toluca
 ITESM campus Ciudad de México
 ITESM campus Santa Fe
 Universidad La Salle México (ULSA)
 Universidad La Salle Cuernavaca (ULSA-C)
 Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)
 Instituto Politécnico Nacional (IPN)
 Universidad Iberoamericana (UIA)
 Universidad de las Américas, Puebla (UDLA-P)
 Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP)
 Universidad Autónoma de Colima
 Colegio de Bachilleres, plantel 2 Iztapalapa
 Universidad Tecnológica de México (UNITEC)
 Universidad Anáhuac Norte
 Universidad del Nuevo Mundo (UNUM)
 Universidad Autónoma Metropolitana (UAM)
 Instituto Tecnológico de Puebla (ITP)
 Universidad Tecnológica Emiliano Zapata (UTEZ)
 Universidad del Valle de México (UVM)
 Instituto Tecnológico de Mérida (ITM)
 Universidad Veracruzana (UV)
 Universidad Autónoma de Guadalajara (UAG)

Yuri Quesnel, del equipo Taquión, se coronó en el Campeonato Electratón 2007 con
434 puntos, sólo dos más que Hugo Hevia del equipo Borregos CEM del Tec de
Monterrey, que quedó en segundo lugar del serial.

La séptima carrera de este campeonato que es protagonizado por estudiantes y ex
estudiantes de diversas universidades del país, fue ganada por Carlos Ramírez-Menes,
del equipo Electrogrupo a bordo del auto 44 Mini-mi, quien recorrió 71 vueltas al
circuito en una hora tres minutos, seguido de David Mochán, de Taquión en su carro
Neutrino número 21, y en tercero cruzó la meta Beatriz Rivas en el número 22 del
equipo Libra IV.

Pablo Astiz, del equipo Pumas Cuautitlán y quien se adjudicó la quinta y sexta fechas
sumó 339 puntos para terminar en tercer lugar del campeonato organizado por la
Industria Nacional de Autopartes (INA).

Finalmente en el campeonato electratón 2008, La escudería Pumas CU, de la Facultad
de Ingeniería (FI) de la UNAM, conquistó su primer campeonato Toyota Electratón
LTH 2008, al ganar en el trazado del Centro Dinámico Pegaso de Toluca, Estado de
México.

Mientras, la Facultad de Estudios Superiores (FES) Cuautitlán, con el vehículo Puma,
logró la cuarta posición, atrás de la escudería de la Universidad de las Américas
(UDLA) Puebla, que se posicionó en el segundo y tercer sitio.

CAPÍTULO 2
PARÁMETROS DE DISEÑO DE ELECTRATÓN

2.1 Autos fórmula electratón

Los autos electratón deben estar diseñados para competir en circuitos de curvas tanto
cerradas como amplias, para ello deben cumplir con la siguiente conformación básica;
un chasis de 3 ó 4 ruedas, con una longitud máxima de 98 pulgadas (2500 mm); el
ancho máximo es de 59 pulgadas (1500 mm) ambas mediciones toman en cuenta las
ruedas y los puntos más externos de la estructura. La altura deberá respetar una longitud
máxima de 43 pulgadas (1100 mm) medido desde la base del chasis al punto más alto
de la estructura, puede contar con uno o dos motores, deberá estar equipado con un
controlador, un peso máximo en baterías de 45 Kg., plomo-acido, además de contar con
todo el equipamiento eléctrico, como cables, switches e instrumentos, etc.

Antes de comenzar a definir el vehículo hay que saber lo que es importante en el diseño
y tomar en cuenta el reglamento técnico, para el diseño de dicho electratón, además de
algunos otros fundamentos importantes. Como ya se mencionó, estos vehículos deben
recorrer la mayor distancia en 1 hora con una carga de batería, por lo que el
aprovechamiento y la eficiencia al usar esta energía es de mucha importancia.

2.2 Vehículos Inclinables

El principal objetivo de este tipo de vehículos es contrarrestar la fuerza centrífuga y
trasladar el centro de gravedad hacia el interior de lacurva. Con esto se tratara de
aprovechar al máximo el rendimiento del motor.

Dichos vehículos inclinables están permitidos en las competencias electratón siempre y
cuando:
• El sistema de inclinación no comprometa la estabilidad (dinámica y estática) del
vehículo.
• El sistema de inclinación no haga que el piloto tenga contacto con otros
elementos del auto.
• El vehículo cumpla con los requisitos de diseño de estructura (Chasis)
11

• El sistema de inclinación no haga que alguna parte del cuerpo del piloto salga
del chasis

2.3 Ergonomía

La ergonomía es la aplicación de la tecnología de manera práctica, cuyo objetivo es
mejorar de manera integral los sistemas Hombre – Máquina y en este particular
Hombre.

En el área automotriz es el diseño del vehículo desde el punto de vista del usuario o
conductor, eliminando los aspectos molestos o perjudiciales al conducir.

Los estudios de ergonomía en el habitáculo han logrado alcanzar la consecución de dos
objetivos fundamentales, uno mejorar la accesibilidad de los controles del vehículo y su
manejo, y por otro lado proporcionar confort de marcha, lo que se traduce en un
bienestar físico y psicológico favoreciendo una conducción segura.

2.3.1 Restricciones de peso al piloto y lastres

El auto deberá estar diseñado de manera tal que permita el acomodo de un piloto con un
peso mínimo de 70Kg. En caso de que el piloto tenga un peso menor, se deberá lastrar
para llegar al peso mínimo.

Cada escudería es responsable de adquirir y traer el lastre correspondiente para cada
piloto (no se permite el uso de herramientas o piedras como lastre). Antes de cada
carrera se pesará a cada piloto y se sellarán sus cinturones. Cabe señalar que no hay
límite superior para el peso de los pilotos.

2.3.2 Movilidad del piloto.

Para desarrollar una buena movilidad del piloto dentro de una cabina de dimensiones
reducidas, resulta hacer necesario hacer estudios antropométricos y biomecánicos del
piloto, del promedio de gente que utilizará el auto para definir los espacios y las
distancias donde se colocarán los controles e indicadores, para que los movimientos del
12

cuerpo sean los más natural posible evitando alterar el desempeño del piloto dentro de la
cabina.

Los estudios biomecánicos se realizan para poder analizar los movimientos y los
desplazamientos de las extremidades, para discernir en el cual de estas existe un mayor
aprovechamiento muscular y así evitar al piloto fatigas musculares innecesarias. Los
estudios antropométricos son efectuados para permitir que el cuerpo del piloto se pueda
mover con libertad y que elementos como la estructura del coche no impidan dichos
movimientos de extremidades y de la cabeza. En este punto se elige el tipo de asiento,
botones, controles, etc., buscando crear un espacio adecuado para el conductor.

2.3.3 Espejos y visibilidad

Todos los vehículos deberán tener mínimo dos espejos retrovisores, uno a cada costado
respectivamente. Si los espejos son cuadrados, sus dimensiones mínimas deben ser de
2" x 2" (25.4mm x 25.4mm), si son circulares, el diámetro mínimo permitido deberá ser
de 21/2" (63.5mm).

Los espejos deberán estar sujetos perfectamente a la estructura para evitar que las
vibraciones los muevan de su posición original.

Los espejos deben permitir tener una visión trasera de 120° sin que el piloto tenga que
mover en exceso la cabeza. No deberá haber estructuras que interrumpan la línea de
visión entre los espejos y la pista ni entre los espejos y el piloto.

El conductor deberá ser capaz de tener una visibilidad, sin obstrucciones, de por lo
menos 160° hacia el frente, sin incluir la visibilidad de la pista mediante los espejos. La
visibilidad hacia el frente, obstruido por miembros estructurales tubulares del vehículo
estará exenta de esta regla siempre y cuando, tales miembros no sobrepasen 1 1/2"
(30.81mm) de grosor.

El conductor deberá ser capaz de ver un punto en el suelo que se encuentre a dos metros
de distancia por delante de la punta del vehículo y a dos metros detrás del vehículo en el
rango de visión establecido por los espejos.
13

Se revisará antes y durante de cada carrera que los espejos estén firmemente sujetos a la
estructura del auto.

2.3.4 Seguridad del conductor.

Este punto es de vital importancia puesto que al diseñar una cabina el piloto debe de
encontrarse en las condiciones más seguras para evitar ser lesionado por golpes o partes
internas del mismo auto en caso de accidente.

La finalidad de la estructura de la cabina es generar un espacio que proteja el piloto, por
lo mismo, ninguna extremidad podrá salir de la estructura (cabeza, hombros, pies,
manos, codos, rodillas) y deberá mantener al piloto seguro en caso de impacto.

El auto deberá ser diseñado para acomodar un piloto de al menos 1.75m de altura y
70 Kg de peso.

El peso del vehículo deberá estar apoyado en un mínimo de 3 ruedas. Las ruedas
deberán ser lo suficientemente fuertes como para someterse a las pruebas de escrutinio.

El auto deberá contar con los siguientes elementos obligatorios en el chasis:
• Barra frontal
• Barras de impacto laterales
• Rollbar
• Barra posterior

Barra de impacto frontal
El auto deberá contar con una barra frontal de al menos 3/4 de pulgada (1.905 cm) de
diámetro separada al frente de los pies del piloto mínimo 2 pulgadas (5.08 cm)

La barra deberá estar firmemente unida a la estructura y deberá respetar las siguientes
especificaciones mínimas:

• Si el tubo es de acero dulce, calibre 16 (1.62 mm)
14

• Si el tubo es de acero al cromo molibdeno 4130, calibre 1.4 mm
• Si el tubo es de aluminio, calibre 12 ó cédula 40 (2.1 mm)

En caso de que la barra sea solida, tendrá que ser de acero AISI 1020 y deberá tener por
lo menos 1/2 pulgada (12.7mm) de diámetro.

La función de la barra es proteger los pies del piloto en caso de colisión frontal. Los
pies no deberán pasar por encima o por debajo de la barra frontal. En caso de usar otro
material se deberá comprobar que iguale o supere las especificaciones requeridas por el
comité técnico (La validación del material se tendrá que a hacer a través de cálculos).

Fig. 2 Barra de impacto frontal

Barras de impacto laterales
Las barras de impacto laterales deberán proteger al piloto en caso de impacto lateral. La
altura entre la base del auto y la barra lateral no deberá ser menor a 8” (20.32 cm.) ni
mayor a 14” (35.56 cm).

Deberán estar firmemente sujetas y ninguna parte del cuerpo deberá sobresalir más allá
de estas barras (cabeza, manos, codos, pies, rodillas, cadera, hombros etc.). Las barras
deberán ser del mismo material que el chasis y respetar las características mínimas
citadas anteriormente.

Los pies deberán
permanecer detrás de
la barra de impacto
15

Fig. 3 Barra de impacto lateral

Las barras laterales deberán tener acojinamiento para prevenir que el conductor pueda
lastimarse en caso de contacto contra la barra en un accidente. El acojinamiento debe
tener 1/2" (12.08 mm) de espesor como mínimo y deberá estar hecho de espuma de
celdas cerradas. (Se recomienda usar espuma aislante para tuberías).

Rollbar
El rollbar deberá sobrepasar mínimo 2” (5.08 cm) de altura el casco del piloto, deberá
estar posicionado detrás de conductor y sujeto al chasis con al menos 4 puntos de
sujeción (como punto de sujeción se entiende un punto soldado firmemente al chasis,
las barras laterales son independientes a la estructura del rollbar, así que no son tomadas
en cuenta como sujeción)

Deberá contar con un barreno de inspección de al menos 3/16 de pulgada de diámetro
hecho en una parte no crítica del rollbar para facilitar la verificación del calibre del tubo.
Si se traza una línea imaginaria desde el puntomás alto del rollbar, hasta la parte
estructural delantera más alta del vehículo, ninguna parte del piloto, incluyendo las
extremidades y el casco, deberá interferir con esta línea El volante del vehículo no debe
ser considerado como parte estructural del vehículo ni límite superior de apoyo para la
línea imaginaria.

El rollbar no deberá presentar una inclinación mayor a 20° respecto a la vertical.

Fig. 4 Rollbar

El rollbar deberá tener un ancho mínimo de 18” (45.72cm) a la altura de los hombros
del piloto. Los hombros del piloto no deberán sobresalir en ningún caso de la estructura
del rollbar.

El rollbar deberá tener acojinamiento para prevenir que el conductor pueda lastimarse
en caso de contacto contra la barra en un accidente. El acojinamiento debe tener 1/2"
(12.00 mm) de espesor como mínimo y deberá estar hecho de espuma de celdas
cerradas.

Barra de impacto Posterior
El auto deberá contar con un parachoques cuya finalidad es proteger al piloto en caso de
impactos traseros. La barra deberá estar unida firmemente al chasis y ser del mismo
material y cumplir con las características mínimas citadas anteriormente.

Cuerpo del piloto
siempre debajo de esta
línea
17

Fig.5 Barra de impacto posterior

2.4 Materiales

El grosor mínimo permitido para los miembros estructurales no deberá ser menor al
diámetro de un tubo cilíndrico de 3/4" (19.00mm), respetando las siguientes
especificaciones mínimas:

• Si el tubo es de acero dulce, calibre 16 (1.62 mm)
• Si el tubo es de acero al cromo molibdeno 4130, calibre 1.4 mm
• Si el tubo es de aluminio, calibre 12 ó cédula 40 (2.1 mm)

Nota:
Los materiales que no se encuentren considerados en la lista anterior, serán permitidos a
discreción de los representantes del evento siempre y cuando aprueben
satisfactoriamente las evaluaciones previas al campeonato además de presentar pruebas
y cálculos de que igualan o superan las especificaciones de los materiales sugeridos
anteriormente.

2.4.1 Plásticos

Los plásticos tienen como cualidades generales, el ser muy ligeros y resistente a la
oxidación, principalmente. El Nylamid ofrece múltiples alternativas, ya que cuenta con
varias características:
 Estabilidad dimensional
 Maleabilidad
Barra de impacto
deberá proteger al
piloto en impactos
posteriores
18

 Compatibilidad para usarse en contacto con alimentos, sin contaminar.
 Resistencia al desgaste.
 Resistencia dieléctrica.
 Resistencia mecánica.
 Resistencia química.
 Resistencia térmica.
 Rigidez.

Estos productos son plásticos de ingeniería de varias familias de polímeros, como
nylon, polietileno y acetal, entre otros, fabricados por vaciado, moldeo por compresión
y extrusión, de acuerdo a los adelantos más recientes de la tecnología de los plásticos.
La versatilidad de los productos con Nylamid ha ayudado a resolver problemas de
diseño de partes para equipo original o de sustitución de refacciones fabricadas con
otros materiales, como: acero, bronce, aluminio, madera, cerámica, celerón y otros
plásticos, en un sin número de sectores industriales tales como:
Usos
Alimenticio Papelero
Siderúrgico Naval
Embotellador Textil
Azucarero Minero
Constructor Farmacéutico
Bienes de capital Transportadores

Usos más frecuentes:
 Cojinetes.
 Poleas.
 Rodillos.
 Engranes.
 Guías de desgaste.
 Ruedas.
 Aislantes dieléctricos.
 Aislantes térmicos.
 Soportes.
19

Características:
Mayor facilidad de maquinado, mayor resistencia a la corrosión, mayor eficacia para la
eliminación de ruido y mayor resistencia a la abrasión que el celerón, el bronce y el
acero. Menor coeficiente de fricción y mayor resistencia al impacto que el bronce, el
teflón, el celerón y otros polímeros. Absorbe cargas que puede fracturar a los metales,
así como el ruido producido por partes metálicas. Resulta de dos a siete veces más
ligero que los metales; se mantiene por años sin necesidad de lubricación.

Aplicaciones:
Ideal para el maquinado de piezas y partes que requieren trabajar: en condiciones
silenciosas; donde el peso sea prioritario; cuando la lubricación sea de difícil acceso o
poco frecuente; en casos de desgaste excesivo de las piezas. Ampliamente utilizado en
equipos eléctricos. Sus aplicaciones más usuales son engranes, chumaceras, poleas,
ruedas, catarinas, rodillos y guías de desgaste, entre otras muchas.

2.4.2 Metales

1) Acero dulce
Para las partes estructurales del chasis el reglamento indica que si es de acero dulce el
tubo debe ser calibre 16 (1.62 mm).

Características:
Es muy dúctil y resistente a la corrosión. También llamado acero suave. Los aceros son
materiales con alta resistencia mecánica al someterlos a esfuerzos de tracción y
compresión.
Elasticidad: la elasticidad de los aceros es muy alta, en un ensayo de tracción del acero
al estirarse antes de llegar a su límite elástico vuelve a su condición original.
Soldabilidad: es un material que se puede unir por medio de soldadura y gracias a esto
se pueden componer una serie de estructuras con piezas rectas.
Ductilidad: los aceros tienen una alta capacidad para trabajarlos, doblarlos y torcerlos.
Oxidación: los aceros tienen una alta capacidad de oxidarse si se exponen al aire y al
agua simultáneamente y se puede producir corrosión del material si se trata de agua
salina.
20

Solo que hay que considerar que al fabricar la estructura con este tipo de material, dicha
estructura puede pesar más de lo deseado ya que su densidad es de 7.75 g/cm
3
.

2) Acero al cromo molibdeno
Para partes estructurales el reglamento indica que si es tubular este debe ser de acero al
cromo molibdeno 4130, calibre 1.4 mm

Características:
Es un tipo de acero aleado al cromo molibdeno, con un contenido de 0.30% de carbono,
éste acero alcanza una magnífica penetración al temple. Puede soldarse mediante
cualquiera de los procesos comunes de soldadura, presenta una gran resistencia a la
flexión, a la torsión, al esfuerzo cortante y a la fatiga.

En cuanto al diseño se refiere, la estructura de acero al cromo molibdeno puede ser
similar al acero dulce ya que dicha estructura puede ser más pesada de lo deseado.

3) Aluminio
Para las partes estructurales del chasis el reglamento indica que si es tubo de aluminio
este debe ser calibre 12 ó cédula 40 (2.1 mm).

Características
Por sus propiedades el aluminio puede ser la mejor opción para el diseño de dicha
estructura ya que su densidad es tan solo de 2.70 g/cm
3
es decir la tercera parte de la
densidad del acero y un modulo de elasticidad de psi. Aunque las aleaciones
de aluminio tienen propiedades a la tensión relativamente bajas en comparación con las
del acero, su resistencia especifica, es decir su relación resistencia-peso es excelente. Y
en este caso el peso es un factor de suma importancia.

2.5 Elementos de un auto de competencias.

2.5.1 Dimensiones

La longitud máxima de un vehículo Electratón es de 98 pulgadas (2500 mm); el ancho
máximo es de 59 pulgadas (1500 mm) ambas mediciones toman en cuenta las ruedas y
los puntos más externos de la estructura. La altura deberá respetar una longitud máxima
de 43 pulgadas (1100 mm) medido desde la base del chasis al punto más alto de la
estructura.

Fig. 6 Dimensiones

2.5.2 Chasis.

Se define como chasis a la estructura o parte principal de un vehículo en donde van
montados todos los componentes del sistema mecánico y los componentes del sistema
eléctrico, así como también el habitáculo o cabina del piloto.

El chasis en base al reglamento será construido con perfiles tubulares de metal
formando una estructura. Esta estructura ofrecerá rigidez y ligereza según el material
del cual este fabricado.El peso del vehículo deberá estar apoyado en un mínimo de 3 ruedas. Las ruedas
deberán ser lo suficientemente fuertes como para someterse a las pruebas de escrutinio.

El chasis deberá cumplir con las principales reglas de seguridad en caso de accidente y
deberá contener los siguientes elementos:

 Barra de impacto frontal
 Barra de impacto lateral
 Rollbar
 Barra de impacto posterior
 Barra estructural entre caja de baterías y piloto

En base a estos parámetros se pueden examinar las siguientes formas y así elegir la más
indicada a nuestro diseño.

1) Configuración de cuatro ruedas
El chasis de cuatro ruedas puede ser demasiado estable sin embargo el grado de
complejidad aumenta al tratar de instalar el sistema de inclinación, puesto que el factor
peso y resistencia al rodamiento son factores a considerar.

Eje Frontal
Eje posterior

Fig. 7 Configuración de cuatro ruedas

2) Configuración triciclo en flecha.
Este sistema nos permite tener un chasis que presente un sistema mecánico muy sencillo
a nivel de suspensión y dirección, ya que solo cuenta con una sola rueda directriz.
Desafortunadamente, este tipo de configuración de ruedas proporciona menor
23

estabilidad al maniobrar el vehículo bruscamente, y es un tanto complicado puesto que
para instalar el sistema de inclinación deseado, dicho sistema seria más complejo.
Eje Frontal
Eje posterior

Fig. 8 Configuración triciclo en flecha.

3) Configuración de triciclo inverso.
Una gran ventaja que otorga una configuración de un chasis triangular es la reducción
del coeficiente de rodamiento en comparación a un chasis de cuatro ruedas. En este caso
del triciclo inverso la dirección y la suspensión son más complejas que en el caso
anterior, pero la ventaja que se tiene es que el sistema de inclinación puede ser
instalado con mayor sencillez puesto que lo que se desea es inclinar todo el vehículo y
no tan solo las ruedas.
Eje Frontal
Eje posterior

Fig. 9 Configuración de triciclo inverso.

2.5.3 Sistemas mecánicos

El sistema mecánico es el conjunto de partes móviles que integran los diferentes
sistemas que proporcionan movilidad a un vehículo. Estos sistemas se dividen en
sistemas de transmisión, sistemas de suspensión, sistema de dirección y sistema de
frenado.

2.5.3.1 Transmisión

La transmisión en un vehículo se compone por aquellas partes que transmiten el
movimiento del motor al tren motriz.

En el caso de un vehículo electratón, el motor es un componente simple, lo difícil es
cuando se transmite el movimiento a las ruedas, ya que debe ser de la manera más
adecuada, eficiente y ligera posible, ya que entre mejor sea el funcionamiento del
sistema que lo integra el consumo de energía del motor es menor mejorando así la
eficiencia del vehículo.

Los principales tipos de transmisión usados son:
Tipo
Características Cadena Banda Engrane B. Dentada
Eficiencia Excelente Baja Excelente Excelente
Sincronización Excelente Baja Excelente Excelente
Choques Baja Excelente Muy Baja Bueno
Ruido Baja Excelente Muy Bajo Excelente
Lubricación Si No Si No

Transmisión por bandas
Uno de los principales usos de la transmisión por banda, es reducir o incrementar
velocidad, entre el motor y la pieza conducida, es el más económico de los elementos de
transmisión, aunque su eficiencia depende de la tensión; alineación; longitud.

Características
 Bajo costo inicial
 Bajo mantenimiento pues no requiere Lubricación
 Fácil Instalación
 Eficiencia energética del 94 al 98% * siempre y cuando se encuentre bien
instalada y alineada.
 Reemplazo de componentes en cualquier parte del mundo Pueden cubrir un
amplio rango de potencias y velocidades
 Absorbe los impactos favorablemente

Ventajas
 Funcionamiento suave, sin choques y silencioso.
 Posibilidad de unir el árbol conductor al conducido a distancias relativamente
grandes
 Facilidad de ser empleada como fusible mecánico, debido a que presenta una
carga limite de presión, valor que de ser superado produce el patinaje
(resbalamiento) entre la banda y la polea.
 Diseño sencillo

Desventajas
 Grandes dimensiones exteriores
 Inconstancia de la relación de transmisión cinemática debido al deslizamiento
elástico.
 Grandes cargas sobre los árboles y apoyos; por consiguiente considerables
pérdidas de potencia por fricción.
 Vida de la banda relativamente corta

Transmisión por engranes
Una transmisión por engranajes está formada por el acoplamiento de dos ruedas
dentadas, una motriz y otra conducida, que, al introducir los dientes de una en los
huecos de la contraria y producirse el giro de la rueda motora, arrastra a la conducida
diente a diente.
26

Es el sistema de transmisión más utilizado, tanto para árboles paralelos como para
cruzados o que se cortan, y sirven para una gama de relaciones de transmisión,
potencias y velocidades tangenciales del diseño industrial.

Se caracterizan por una transmisión de fuerza sin deslizamiento, independiente de la
potencia transmitida, además de ser sistemas muy seguros de bajo mantenimiento y alto
rendimiento.

Ventajas
 Los engranes proporcionan a las máquinas una gradación utilizable de relaciones
de velocidad.
 Los engranes permiten grandes transmisiones de potencia desde el eje de una
fuente de energía hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un
trabajo sin perdidas de energía.

Desventajas
 Son transmisiones costosas.
 Muy rígidas.
 De alto ruido.
 Los engranes tienen un costo elevado comparado con los otros tipos de
transmisión por cadenas y las poleas.

Transmisión por cadenas
La transmisión de cadena-catarina es uno de los mecanismos más eficientes siempre y
cuando exista un perfecto ajuste de tensión de la cadena y una alineación adecuada del
piñón y la catarina.

Características principales:
Las características básicas de las transmisiones de cadena son una relación de velocidad
variable (dependiente del número de dientes de la rueda), larga duración o vida útil, y la
aptitud de impulsar varios ejes de una misma fuente de potencia.

Mediante este sistema se consiguen transmitir potencias relativamente altas entre dos
ejes distantes entre sí, sin que exista apenas resbalamiento o desprendimiento entre las
dos ruedas de piñones y la cadena, que es el elemento de enlace que une ambas ruedas.

Ventajas
 Pueden aumentar ó disminuir la velocidad
 Pueden unir ejes hasta de 4 mts.
 Son fácil de cortar y conectar
 No hay deslizamiento entre el eje motriz y el conducido
 El estiramiento es prácticamente nulo
 La vida de operación es larga
 Son especiales para trabajar en ambientes hostiles
 Es fácil su mantenimiento
 Las ruedas sobre las cadenas, no tienen que tener el diámetro tan grande como
las poleas con bandas.

Desventajas
 Elongación provocada por el desgaste de sus componentes
 Flexibilidad limitada a un solo plano
 Se requiere cambiar catarinas junto con la cadena
 Son ruidosas y fuente de vibración.
 El montaje es más complicado.
 El mantenimiento es más minucioso, se deben lubricar.
 Mayor nivel de ruido que la transmisión por poleas y bandas.
 Su velocidad máxima de operación es un tanto limitada.

Banda dentada
Las poleas dentadas no dependen de la fricción para transmitir potencia, permitiendo
una tensión mínima en las bandas. Además, al no haber deslizamiento entre la polea y la
banda, hay sincronización entre los ejes. Entre los avances tecnológicos destaca la
modificación de los perfiles de los dientes de las poleas y sus bandas para ofrecer
transmisiones cada vez más silenciosas y durables

Características principales:
 Mínima elongación.
 Resistentesa temperaturas hasta 115ºC (240ºF).
 Más flexibilidad.
 Resistente a petróleo, aceites, grasas y algunos químicos.
 Alineamiento perfecto.
 Máxima exactitud.
 Mayor durabilidad.
 Diseño compacto.
 Extremadamente confiable.
 Amplio rango de transmisión de potencia.

Desventajas
 Grandes dimensiones exteriores
 Inconstancia de la relación de transmisión cinemática debido al deslizamiento
elástico
 Grandes cargas sobre los árboles y apoyos
 Variación del coeficiente de rozamiento
 Vida útil de la correa relativamente baja

Para el diseño del electratón se debe de utilizar el sistema de transmisión más simple
para aminorar perdidas por fricción y peso ya que este último es uno de los factores más
importantes a considerar en el diseño puesto que si no se selecciona el sistema de
transmisión adecuado puede ser poco eficiente y se puede tener un sistema de
transmisión pesado y con esto no se alcanzarían las velocidades deseadas.

2.5.3.2 Sistema de suspensión

El diseño y aplicación de sistemas de suspensión está permitido siempre y cuando no
interfiera con las capacidades de maniobrabilidad y de frenado del auto y que su
aplicación no interfiera otras reglas.

Definición de Suspensión
Conjunto del vehículo, cuya misión es mejorar: el confort en la conducción, la
seguridad activa y reducir los efectos de los impactos rueda-suelo, en bien de los
pasajeros, mercancías y de la propia mecánica del vehículo, siendo el resultado un
compromiso entre confort y seguridad.

Cuando a través de la suspensión se hace el enlace de la masa suspendida con los ejes,
estará también sometida a las fuerzas longitudinales y transversales que se originan
durante la marcha del vehículo.

La suspensión se puede considerar constituida, de la forma más general, por el conjunto
de neumáticos, resortes metálicos o no metálicos, amortiguadores y asientos. Pues todos
aquellos elementos, que se deformen como consecuencia de la acción de las cargas y
choques, contribuyen a ella.

Los elementos básicos de un sistema de suspensión son los resortes y los
amortiguadores.

Los resortes, reducen las perturbaciones originadas por los desplazamientos hacia
arriba y hacia debajo de las ruedas, debido a los obstáculos y depresiones del suelo,
ocasionando un estado de vibración a la masa no suspendida.

Cuando menor sea la masa de las ruedas y eje (masa no suspendida), mejor se adaptara
su conjunto a las irregularidades del terreno, y por tanto, menores serán las
perturbaciones, ya que las fuerzas que originan los desplazamientos, a igual
aceleración, son menores.

Tipos de suspensión
Se define según la clase d resorte utilizado.

 Suspensión por ballesta – formado por hojas – flexión.
 Suspensión por muelles helicoidales – torsión.
 Suspensión por barra de torsión – torsión.
30

 Suspensión por goma – compresión.
 Suspensión neumática – aire comprimido.

La elección del tipo de suspensión está supeditada entre otras cosas a: confort, costo,
capacidad, peso, localización, anclajes, durabilidad, necesidad de altura constante o
variable.

2.5.3.3 Sistema de dirección

Definición
Conjunto de vehículo que tiene por objeto, orientar las ruedas directrices, según los
deseos del conductor.

El esquema siguiente, se muestran los factores que, intervienen en la conducción. En él
se establecen dos circuitos; uno de mando, desde el conductor hasta la trayectoria real,
pasando por el mecanismo de dirección y del vehículo, y otro de respuesta, dando
información al conductor.

Fig. 10 Esquema de dirección

Cuando las ruedas directrices se orientan para tomar una curva, todas las ruedas del
vehículo deben rodar sin que al mismo tiempo deslicen, evitando desgastes no deseados
en los neumáticos.

Lo anterior solo se puede conseguir cuando, todas las ruedas, describan arcos con un
mismo centro instantáneo de rotación. Situado sobre la recta prolongación del eje
trasero.
Trayectoria
Deseada Conductor
Conjunto
Dirección

Vehículo
Trayectoria
real
Hábitos
Reflejo
Influencia exterior
Viento, carretera, etc.

Esto no es posible, prácticamente en toda la gama de ángulos de giro de las ruedas
directrices, por lo que el problema está en buscar la solución más cercana a la ideal,
teniendo en consideración tipo de vehículo, utilización, velocidad, etc.

Una dirección debe cumplir además las siguientes características:

Reversibilidad
Poseer un cierto grado de reversibilidad, para que su manejo sea más fácil, tendiendo a
las ruedas a mantener una marcha rectilínea. Sin embargo, no debe ser muy reversible,
para que las irregularidades del terreno no influyan sobre el volante, de modo que el
conductor pueda tener dominada la dirección en todo momento.

Estabilidad
Manteniendo las ruedas delanteras debidamente orientadas cuando se marcha en línea
recta, de modo que si suelta el volante, el vehículo no se desvíe de su trayectoria.

Suavidad.
La fuerza necesaria para girar el volante, no debe ser grande para no cansar.

Estudio del mecanismo de la dirección
Para dar solución al requisito fundamental, centro de rotación único, se adopto y se
mantiene la dada por Jeantaud o Ackerman. Al principio de la historia del automóvil,
la dirección era como la de los coches de caballos, un eje que giraba alrededor de un
punto.

En la figura se muestra un croquis de un eje delantero rígido como el de un camión. Está
formado de tres partes; una central (viga), en cuyos extremos se acoplan de forma
articulada las manguetas, que son las otras dos. En los turismos, con suspensión
independiente, el eje está formado por las manguetas y la parte central, está formada por
una estructura, en la que la carrocería forma parte de ella.

Fig. 11 Mecanismo de dirección

Las ruedas directrices permanecen unidas solidariamente, a través de las bielas y la
barra de acoplamiento, respondiendo a las siguientes condiciones ideales:

1. Al girar la dirección de las ruedas toman la posición de la figura, de tal forma, que el
radio de giro, del arco que describe cada una de las ruedas del vehículo, con centro
de rotación único, sea perpendicular a la proyección de la rueda sobre el suelo.

Lo anterior, solo es posible, si las bielas forman un trapecio con la parte del eje entre
pivotes y la barra de acoplamiento, cuando las ruedas directrices están en posición de
marcha recta. Si fuera rectangular, el centro de rotación de las ruedas directrices estaría
en el infinito, con deslizamiento de ruedas para cualquier ángulo de giro.

Fig. 12 Trazado de Dirección

2. Para que el centro de giro este situado sobre la prolongación del eje trasero, para
cualquier ángulo de giro de las ruedas directrices, es necesario que la prolongación
33

de las bielas, cuando las ruedas directrices se encuentran en posición de marcha
recta, se corte en un punto situado sobre la línea del eje trasero.

Lo anterior es posible conseguir por emplearse un mecanismo basado en un cuadrilátero
articulado. Las longitudes de las bielas y barra de acoplamiento, que hagan que los
ángulos alfa y beta, cumplan con la relación requerida.

Por tanto, el problema consistirá en buscar la solución que más se acerque a la ideal,
dando lugar a que la prolongación de las bielas en marcha recta se corte en un punto no
situado sobre el eje.

Proceso de cálculo
Para la definición de la geometría del conjunto de dirección, tradicionalmente se ha
realizado de forma grafica, partiendo de longitudes posibles de bielas y barras de
acoplamiento, que se seleccionaban con base en. Experiencia, ubicación, etc.

Deducción de ecuaciones básicas.
Datos:
L= Distancia entre ejes.
v = voladizo delantero.a = distancia entre pivotes de giro.
b = ancho del vehículo.

Fig. 13 Proceso de cálculo.

Aplicando el teorema del seno y coseno en el triangulo ABC:

De donde el ángulo mínimo será:

Respecto al radio interior R´ se ha de cumplir.

Relación entre las longitudes de las bielas y barra de acoplamiento, en función de “a” y
L´.

L´ es la distancia del eje delantero al punto de corte de las prolongaciones de las bielas.
Puede ser igual a L, o distinto, normalmente menor.

A BN
r l
C D
d
M´
M
a
L
L´

Fig. 14 Prolongación de bielas.

Donde:
d = distancia de la rueda delantera izquierda al punto de corte de la
prolongación de las bielas
r = longitud de la biela.
l = longitud de la barra de acoplamiento.
a = distancia entre pivotes de giro.

Del triangulo ANM´:

; De donde

(1)

Y como

Sustituyendo en (1)

Relación que existe entre las longitudes de biela y barra de acoplamiento en función de:
distancia “a”, ángulo máximo de giro “α” y ángulo complementario del que forma la
biela con el eje “γ”.

Fig. 15 Bielas y barra de acoplamiento.

Donde:
CB = l + r
AC = r
Ángulo máximo de giro de la rueda delantera izquierda.

El ángulo máximo de giro se obtiene cuando una biela se alinea con la barra de
acoplamiento.

En el triangulo ACB:

A si pues con base en las ecuaciones anteriores y tomando en cuenta las
especificaciones del reglamento, en cuanto al sistema de dirección se refiere, se tiene
que seguir las siguientes indicaciones para el diseño de dicha dirección.

Los brazos de dirección, los espárragos de las rótulas y los tornillos para sujetar todos
los componentes de la dirección, deberán ser no más débiles que una barra de acero de
5/16" (7.93mm) de diámetro. El uso de espárragos de acero dulce no está permitido.

Los pernos guía del conjunto de la dirección deberán estar hechos de un material tan
resistente como una barra sólida de acero de 5/8".

El sistema de dirección deberá estar diseñado para describir un radio mínimo de giro de
2 m.

El sistema de la dirección debe tener topes físicos que limiten su carrera para evitar un
exceso de giro en las ruedas. Los topes físicos deberán funcionar en toda condición de
operación.

Los brazos de dirección deberán tener contratuercas para evitar que se desalinee
accidentalmente o bien que las barras de dirección se salgan de su lugar.
Los brazos de dirección deberán estar protegidos contra impactos frontales
38

El sistema de dirección deberá estar separado físicamente del piloto (con lámina,
plástico PVC, ABS o similar. Lona no está permitido) de manera que no haya riesgo de
que el piloto se enrede con el sistema de dirección.

Todas las tuercas que sirvan como fijación de piezas móviles (tales como rótulas o ejes)
deberán ser de seguridad. En caso de no conseguirlas, podrán utilizarse tuercas
normales, siempre y cuando éstas estén alambradas con los tornillos.

Los tornillos que sujetan el volante al poste de la dirección deben quedar ocultos o tener
cabeza de bola para proteger al piloto contra lesiones, tales tornillos deberán tener un
diámetro mínimo de ¼", sujetos con tuercas de seguridad.

No se permitirá un número menor a 4 tornillos de las especificaciones anteriores. Los
diseñadores deberán asegurarse que la sujeción del volante a la flecha sea equivalente a
la propuesta anteriormente, en caso de que su sistema de sujeción sea distinto.

2.5.3.4 Frenos

Para el sistema de frenado el reglamento nos indica lo siguiente:
Todos los vehículos deberán tener frenos mecánicos, hidráulicos o eléctricos en por lo
menos un eje, capaces de detener completamente al vehículo cuando éste viaje a 30
km/hr, en un tiempo máximo de 3 segundos sin perder su trayectoria y en un espacio no
mayor a 6 metros. El mecanismo de accionamiento de los frenos debe ser tal que
funcione toda vez que sean accionados.

Los frenos serán revisados cada carrera de manera estática y dinámica para confirmar
que no haya alteraciones que afecten al sistema de frenado.

Posicionamiento del sistema de frenado
El sistema de frenado deberá ubicarse en el eje final o en la llanta. El auto debe ser
capaz de mantener su capacidad de frenado a pesar de que haya un evento de rotura de
cadena o falla de transmisión.

Sistema de frenado regenerativo
El frenado regenerativo está permitido como medio de recarga del banco de baterías de
propulsión. El sistema debe ser tal que no interfiera con las capacidades de frenado del
auto.

Tipos de freno
Se permite cualquier tipo de freno (mecánico, hidráulico, eléctrico). En caso del freno
eléctrico debe mantener su capacidad de frenado independientemente de la carga de la
batería y si el motor esta encendido o no. La alimentación del sistema de frenado deberá
ser independiente del sistema de propulsión.

2.5.4 Sistema eléctrico.

Para el sistema el eléctrico debemos seguir las siguientes recomendaciones:

Baterías
Las baterías deberán ser de tipo comercial, de plomo-ácido y no podrán ser modificadas
para incrementar su desempeño. El peso máximo permitido para el banco de baterías es
de 45kg. El vehículo deberá usar las baterías que fueron aprobadas en el pesaje para la
carrera durante la duración de la misma, no se permite realizar cambio de baterías así
como colocar adicionales o retirar baterías del auto. El no seguir con esta regla es causa
inmediata de descalificación.

Las baterías únicamente podrán ser recargadas antes o al final de la carrera, pero nunca
durante la misma. El frenado regenerativo y sistemas fotovoltaicos integrados al
vehículo son las únicas formas permitidas de recarga de baterías durante la carrera.

Baterías suplementarias
Se consideran baterías suplementarias aquellas utilizadas únicamente para radios,
instrumentación o frenado eléctrico. Estas baterías son reemplazables en cualquier
momento, su peso no está restringido y deberán estar conectadas de tal manera que no
ayuden a la propulsión ni aporten energía al sistema de alimentación del motor, por lo
que deberán estar en circuitos independientes.

Calibres de Cable
La especificación del calibre de los cables de potencia que conectarán a las baterías con
el controlador y el motor, deberá estar determinado según las tablas NEC (National
Electrical Code) para la corriente esperada.

Todos los cables deberán sujetarse de manera que el piloto o alguna otra parte mecánica
no se enrede en ellos.

Fusibles e interruptores
Interruptor principal.
Todos los vehículos deberán contar con un fusible y un interruptor eléctrico entre el
controlador y la batería.

El interruptor maestro deberá estar accesible tanto para el piloto como para cualquier
persona de apoyo u oficial de pista, durante la carrera y deberá estar posicionado del
lado derecho del auto en la unión de la barra lateral de impacto y el rollbar.

Fig. 16 Posición del interruptor principal

El interruptor deberá ser capaz de detener cualquier suministro de corriente al motor a
plena carga.

El interruptor principal deberá ser del tipo “paro de emergencia” también conocido
como “kill switch” el cual deberá detener la corriente al presionarse y permitir el paso
de corriente cuando está en posición normal. El interruptor no debe regresara posición
41

normal a menos de que tenga que realizarse alguna acción como jalar el interruptor o
girarlo para activarlo de nuevo.

Fig. 17 Ejemplos de interruptores permitidos.

El interruptor principal debe estar marcado con un triángulo equilátero (de mínimo 10
cm. por lado), color amarillo, de contorno negro y con un rayo rojo en el centro

Interruptor secundario
Se deberá contar con un interruptor secundario (tipo kill switch) en alguna otra parte del
vehículo de fácil acceso para el piloto, sin que tenga que sacar las manos de la
estructura del auto.

Fusibles
Todos los vehículos deberán tener un fusible de capacidad no mayor a 150% de la
máxima corriente esperada. (Se sugiere utilizar el fusible recomendado por el fabricante
de los componentes electrónicos del vehículo) El fusible deberá estar conectado en serie
con el banco de baterías, en la terminal positiva, sin que haya ningún otro componente
entre ellos. Como fusible principal no está permitido utilizar interruptores
termomagnéticos.

Controlador del motor
Deberá tener un controlador ya que este aparato es un cerebro electrónico que gobierna
el funcionamiento del motor de varias maneras para lograr un mayor rango de utilidad.
La primera función del controlador es dosificar la entrada de corriente y voltaje para que
el motor no sufra daños por picos de corriente inesperados. A demás tiene la capacidad
de cambiar de corriente alterna (ac) a corriente directa (dc) o viceversa.

La segunda función de este cerebro es la de funcionar como caja electrónica de
velocidades, brindando la posibilidad de tener dos velocidades, una hacia el frente y otra
hacia atrás.

Potenciómetro
Es un regulador de corriente que está conectado directamente al controlador y por
medio de una bobina controla la velocidad.

Voltímetro
Es un instrumento de medición que detecta el voltaje existente en el banco de baterías.

Amperímetro
Es un instrumento que mide la cantidad de corriente en el sistema.

CAPÍTULO 3
DISEÑO

3.1 Diseño Conceptual

En el capitulo anterior se describió la teoría en el diseño general de un vehículo
eléctrico de competencias, en este capítulo se detallara este diseño para un vehículo en
particular con base en las especificaciones dadas por el reglamento de competencias.

Para el diseño se tomaran en cuenta las especificaciones antes mencionadas, así como
las características que queremos del vehículo. Entre estas características se desea
obtener un diseño que sea ligero, pequeño, con inclinación de chasis y ruedas en el cual
quepa una persona de 1.70 m de altura con un peso de 70 kg a 75 kg, se desea que dicho
vehículo tenga una buena maniobrabilidad en curvas cerradas es por ello que se
agregara un sistema de inclinación el cual nos brindara esta maniobrabilidad, dicho
sistema será controlado con los pies del piloto en forma independiente a la dirección, así
este sistema no interferirá a bajas velocidades a menos que el piloto lo desee.

3.2 Diseño del Chasis.

En este caso como se desea tener un diseño eficiente y ligero se utilizara un chasis de
tres ruedas, ya que en este tendremos menos componentes mecánicos, utilizaremos el
triciclo inverso (2 llantas adelante y 1 trasera) ya que este es más estable en curvas muy
cerradas, en dicho vehículo tendremos la tracción en la rueda trasera.

Tomando en cuenta las dimensiones permitidas por el reglamento se aprovecharan al
máximo para acomodar a un piloto de 1.70 m con un peso de entre 70 a 75 kg. Para
cumplir con las indicaciones y así no tener que lastrar al piloto, con esto tratamos de
hacer al vehículo lo más ligero posible, como consecuencia de esto coincidimos y
estuvimos de acuerdo en eliminar el sistema de suspensión ya que esto representaba
peso adicional, en base a lo observado en otros vehículos nos dimos cuenta de que no
era un sistema tan necesario.

Tomando como base el peso y en base con lo permitido en el reglamento se decidió
diseñar el chasis en aluminio 6063-T6 y 6061-T6 así como de nylamid, y puesto que
también la aerodinámica no es un factor muy importante para este tipo de vehículos,
pues dichos vehículos no alcanzan velocidades mayores a los 65 k/hr, no se tuvo que
hacer un análisis de aerodinámica, pero en base a esto se decidió instalar un sistema de
inclinación en las ruedas delanteras independiente a la dirección, con el cual no se
tendrá tanta necesidad de frenar al entrar a las curvas, a menos de que sean curvas
bastante cerradas y por consiguiente se tratara de aprovechar al máximo el rendimiento
del motor, que este es uno de los puntos más importantes a considerar puesto que gana
el vehículo que de más vueltas en el circuito durante 1 hora con una sola carga de
baterías.

Para el diseño del chasis primero se comenzaran a definir las dimensiones del piloto a
si como la posición en la cual ira sentado para darse una idea de cuáles serán las
dimensiones del auto sobre todo del chasis. Para esto se diseñara un dummy con las
dimensiones reales, este dummy tendrá una altura de 1.70 m y un peso de 80 kg.
A continuación se describen los elementos que componen al chasis.

3.2.1 Estructura principal.

La estructura principal es aquella en la cual estará alojado el piloto, así como el motor,
las baterías y sistemas eléctricos, esta estructura principal está definida en gran medida
por el tamaño y posición del piloto.

En este caso dicho vehículo estará diseñado para un piloto de las siguientes medidas:

Fig. 18 Dimensiones del piloto.

Después de encontrar la posición en la cual el piloto se encontrara más cómodo, y así
diseñar el chasis en base a esa posición.

Fig. 19 Posición del piloto.

Posteriormente empezamos a definir el diseño del chasis, tomando en cuenta la posición
del piloto, en base a esto se comenzó a diseñar el chasis, con base en el reglamento y a
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las medidas del piloto, el primer diseño del chasis fue realizado en aluminio 6061-T6
pero como este tipo de material no estaba disponible en México en forma tubular se
tuvo que cambiar el diseño del chasis y esta vez fue realizado en aluminio 6063-T6
cedula 40, ya que este material si está disponible en México y puesto que las
propiedades son un tanto similares, por esta razón se decidió utilizar este tipo de
aleación.
La parte inferior del chasis fue diseñada en aluminio 6063-T6 de cedula 40, y
el resto del chasis fue diseñado en aluminio 6063-T6 de cedula 40, de acuerdo
a las especificaciones del reglamento, en base a algunos cálculos realizados y a lo
observado en otros vehículos.

Propiedades mecánicas
Aleación
Aluminio
Resistencia a la
tensión (kg/cm
2
)
Esfuerzo de
cedencia (kg/cm
2
)
% de elongación
6061-T6 3160 2800 15
6063-T6 2460 2180 -

3.2.2 Sistema de inclinación

Una vez hecho esto nos enfocamos en el sistema de inclinación, puesto que esto era uno
de los puntos más importantes en este diseño, empezamos a analizar diferentes ideas y
sistemas, uno de los principales sistemas observados fue el del Mercedes F-300. Ya que
este es muy explicito.

Fig. 20 Sistemas de Inclinación.
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En este sistema se necesitan de dos amortiguadores los cuales controlan la inclinación
ya que el principal objetivo de este tipo de vehículos es contrarrestar la fuerza
centrífuga y trasladar el centro de gravedad hacia el interior de la curva. En las
figuras anteriores se puede observar, el movimiento permitido al momento de accionar
el mecanismo de inclinación, los dos amortiguadores controlados electrónicamente los
cuales logran una inclinación de 30 grados.

En las ilustraciones siguientes se muestra el mecanismo con más detalle con elcual
permite la inclinación en chasis y rueda asi como el sistema de dirección.

Fig. 21 Sistema de inclinación.
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Fig. 22 Explosivo sistema de inclinación

En base a lo observado y analizado en dicho sistema de inclinación, nos dimos cuenta
de que teníamos que sustituir los amortiguadores que daban el control de la inclinación
por otro sistema similar pero más ligero, puesto que si poníamos amortiguadores esto
sería peso adicional en dicho vehículo y seria como tener un sistema de suspensión, así
que se tuvo que implementar un sistema mecánico accionado por el piloto para lograr la
inclinación deseada, para esto el chasis debería tener solo dos puntos de anclaje y así
formar un sistema de cuatro barras similar al mecanismo observado para así lograr una
inclinación de 30 grados como máximo.

3.2.3 Calculo de Inclinación.

Para efectuar dicho cálculo de inclinación solo se tuvieron que tomar algunas medidas
conocidas en el diseño del vehículo cuando este se encontraba en reposo y otras cuando
a este diseño se le daba una inclinación máxima.

Para hacer esto primero se tomaron las medidas del centro de la rueda delantera derecha
al centro del vehículo ya que en el centro del vehículo estaría conectada la inclinación,
puesto que estos serán los dos puntos de anclaje ó ensamble y seria el eje de giro de
dicha inclinación, esta distancia fue de 450mm, la segunda fue de la parte central
inferior a la parte central superior, que son los dos puntos de ensamble y los puntos de
inclinación de las ruedas y chasis, esta distancia fue de de 221mm. Como se muestra a
continuación.

Primero debemos obtener la hipotenusa y después los ángulos restantes, ya que la
hipotenusa y los ángulos nos darán la distancia que necesitamos conocer cuando se
tenga una inclinación máxima de 30°.

Así pues efectuando los cálculos

Aplicando ley de senos

Para el sistema de inclinación a 30° solo se incremento el ángulo de 90° a 120° ya que
las distancias de las ruedas al cetro del vehículo eran las mismas a si como la distancia
del los centros de la parte inferior a la parte superior.

Así pues de este modo se cálculo cuanto era el desplazamiento cuando el vehículo se
inclinaba 30°, en base a los resultados se concluyo que solo necesitaba recorrerse una
distancia de 10 cm por lado para lograr una inclinación de 30 grados, ahora en base a
estos datos se diseñara método de inclinación, lo previsto es que se incline con los pies
y dicho sistema funcionara a base de chicotes ya que esto facilitara el ensamble tanto al
chasis como con el sistema de dirección.

3.2.4 Diseño de inclinación

En el diseño de inclinación, se tuvieron que diseñar pequeñas piezas las cuales nos
brindarían el movimiento deseado, para esto primero se tuvo que analizar en que parte
se sujetarían las piezas a diseñar puesto que teníamos un reto adicional ya que las ruedas
delanteras no tendrían rallos solo una barra central en la cual se soportaría todo el peso.

Primero se diseñaron las piezas que irían al centro de los rines ya que como se
menciono estas piezas serian donde estaría sujeto el sistema de inclinación y el de
dirección.

Se comenzaron por diseñar las barras centrales de los rines así como las piezas las
cuales permitirían el movimiento en base al rin, dichos rines son de R-20, las piezas que
se diseñaron fueron pequeñas de forma de poleas las cuales tendrían rodamientos en el
centro para tratar de evitar fricciones tanto en el rin como en la parte central, en el
diseño de estas piezas se utilizo Nylamid ya que es un material muy resistente y
bastante ligero según tablas de propiedades. En base a esto se diseñaron las piezas las
cuales tendría alojadas los rodamientos.

Propiedades mecánicas
Material Resistencia a la
tensión (psi)
Elongación % Modulo
elástico (psi)
Densidad
(g/cm3)

Nylamid

12 000

300

500 000

1.14

Fig. 23 Barra central diseñada en aluminio 6061-T6.

Fig. 24 Pieza con rodamiento diseñada en Nylamid.

Una vez hecho esto, se diseñaron otras piezas las cuales permitirían la inclinación de
dicho vehículo, estas también cuentan con rodamientos, pero uno de estos rodamientos
es cónico que es en el cual estará soportado todo el peso del vehículo,

Fig. 25 Piezas de inclinación con rodamiento cónico.

Estas piezas son las que permitirán la inclinación en las ruedas, y serán ensambladas
tanto en la parte inferior de la barra central del rin como de la parte superior, y serán
detenidas por seguros truarc.

Fig. 26 Ensamble: rin, rueda, barra central, piezas de inclinación.

3.2.5 Ensamble de Chasis con sistema de inclinación.

El diseño mostrado a continuación fue el primer diseño del chasis, en este diseño se
tuvieron que cambiar la mayoría de las piezas puesto que cuando se ensamblo el sistema
de inclinación al girar las llantas delanteras, nos percatamos de que las llantas rozaban
con la parte de protección lateral, aunado a esto no se tenía suficiente espacio para
colocar otras piezas del sistema de inclinación y también no se lograba obtener el radio
de giro deseado y especificado en el reglamento. Así que este chasis solo sirvió de
plataforma para el siguiente.

Fig. 27 Chasis 1.

Posteriormente se diseño este segundo chasis, el cual nos permitiera tener el
movimiento deseado en las ruedas delanteras, aunque todavía no se calculaba el sistema
de dirección se tenía un buen espacio para un radio de giro adecuado, se cambiaron
partes de dicho chasis, para ser más exacto, la parte delantera, también se le agregaron
mas componentes que lo hicieran más seguro, en este segundo chasis se le hicieron
dobleces a las partes laterales, y se cambio la parte del frente de una forma circular a
una forma cuadrada, la cual por cuestiones de diseño nos permitiría aprovechar un poco
más el espacio resultante y así poder acomodar el sistema de inclinación, para dicho
sistema de inclinación se le agregaron dos barras, una por lado, en la cual se montarían
unos pedales los cuales estarían conectado por cables y poleas, así pues cuando el piloto
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mueva los pies se accionara el sistema de inclinación (esto se verá más adelante cuando
el diseño sea ensamblado por completo).

Fig. 28 Chasis 2.

El chasis se diseño de tal forma que solo tuviera dos puntos de ensamble en la parte
delantera puesto que esto facilitaría el ensamble con el sistema inclinación y daría el
mecanismo de 4 barras mencionado anteriormente.

Fig. 29 Parte frontal.
Posterior mente se cambio la parte trasera por cuestiones de seguridad, sobre todo por
los esfuerzos que se presentaban en la parte trasera, el segundo diseño es el siguiente:

Dobleces en
parte delantera.
Soportes y guías
de pedal
Puntos de
ensamble
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Fig. 30 Diseño Chasis 2

Este fue el resultado final del chasis, el cual está diseñado en aluminio 6063-T6, y esto
nos permite que sea un diseño bastante ligero, de tan solo 12 kg.
Una vez realizado esto se comenzó a diseñar el sistema de dirección.

3.3 Sistema de dirección.

La geometría