AÍDA DEL
PEDALIER
DISTANCIA ENTRE EJES
17
Diseño de una bicicleta de montaña
GEOMETRÍA
DIMENSIONES DE NUESTRA BICICLETA
CARACTER COMPETITIVO < > COMODIDAD
457 mm
71º
73º
(440-580 mm)
(± 1º)
(± 1º)
TALLA
ÁNGULO DE DIRECCIÓN
ÁNGULO DE SILLÍN
1064 mm (1045-1108 mm)
DISTANCIA ENTRE EJES
DISTANCIA SILLÍN-DIRECCIÓN
CAÍDA DEL PEDALIER
LONGITUD DE VAINAS
AVANCE DE LA HORQUILLA
585 mm
35 mm
425 mm
44 mm
(555-608 mm)
(30-40 mm)
(415-425 mm)
(35-46 mm)
18
Diseño de una bicicleta de montaña
GEOMETRÍA
TUBOS DEL CUADRO
Tubo vertical
Tubo de pedalier
Tubo de
dirección
Tubo oblicuo
Tubo horizontal
Vainas
Tirantes
Punteras
Rigidizadores
19
Diseño de una bicicleta de montaña
GEOMETRÍA
PRIMER MODELO
20
Diseño de una bicicleta de montaña
MODELADO 3D
ÍNDICE
1.- INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
2.- MATERIAL DEL CUADRO
3.- GEOMETRÍA
4.- MODELADO 3D
5.- ENSAYOS DE FATIGA E IMPACTO
6.- REDISEÑO DEL CUADRO
7.- PRESUPUESTO
21
Diseño de una bicicleta de montaña
MODELADO 3D
MODELO 3D
UNIONES SOLDADAS
CORDONES DE SOLDADURA
ANCHO DEL CORDÓN: 7 ÷ 9 mm
ASPECTO ONDULADO
CONCAVO
CONVEXO
MECÁNIZADOS
ÁNGULO AGUDO
ÁNGULO OBTUSO
22
Diseño de una bicicleta de montaña
MODELADO 3D
SOLID EDGE
Diseño 3D
MODELO EN 3D DEL
CUADRO
REPRESENTACIÓN DEL
CORDÓN
GENERACIÓN AUTOMÁTICA DE
SUPERFICIES DE UNIÓN
COSMOSDesignSTAR
(Cálculo por elementos finitos)
TENSIONES
TENSIONES
FORMA REAL DEL CORDÓN
CHAFLANADO + REDONDEO
23
Diseño de una bicicleta de montaña
MODELADO 3D
RETENCIÓN
PISTA INTERIOR
BOLAS
CAZOLETA
CUADRO
HORQUILLA
COSMOSDesignSTAR
CONTACTO ENTRE SUPERFICIES
BONDED
SURFACE
SHRINK FIT
COSTE
COMPUTACIONAL
CONJUNTO: CUADRO-RODAMIENTOS-HORQUILLA
Rodamientos
PIEZA DE
24
Diseño de una bicicleta de montaña
MODELADO 3D
CONJUNTO CUADRO-RODAMIENTOS-HORQUILLA
IGUAL DISTRIBUCIÓN Y VALOR
DE TENSIONES EN EL CUADRO
PEQUEÑAS VARIACIONES LOCALIZADAS
CERCA DE LOS CONTACTOS
RODAMIENTO
DE
UNA ÚNICA PIEZA
25
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
ÍNDICE
1.- INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
2.- MATERIAL DEL CUADRO
3.- GEOMETRÍA
4.- MODELADO 3D
5.- ENSAYOS DE FATIGA E IMPACTO
6.- REDISEÑO DEL CUADRO
7.- PRESUPUESTO
26
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
¿SOPORTARÁ EL CUADRO LOS ESFUERZOS?
REPRODUCIR LAS CARGAS A LAS QUE ES SOMETIDO
prEN 14766:2003 Mountain-bicycles – Safety requirements and test methods
REALIZAR 5 ENSAYOS AL CUADRO
Ensayo de fatiga: fuerzas de pedaleo
Ensayo de fatiga: fuerzas horizontales
Ensayo de fatiga: fuerzas verticales
Ensayo de impacto: caída de una masa
Ensayo de impacto: caída del cuadro
NO
27
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
MODELAR EL ENSAMBLAJE EN 3D
SOLID EDGE
COSMOSDesignSTAR
SIMULAR EL MÉTODO DE ENSAYO
REDISEÑO
DEFORMACIONES
CUMPLE LOS REQUISITOS
TENSIONES
28
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
ENSAYOS DE FATIGA
LÍMITE DE FATIGA DEL CUADRO
Factores que modifican
el límite de fatiga
LÍMITE DE FATIGA DEL CUADRO A VIDA FINITA
Curvas de Wöhler
Material base
Sef @N = 350 – 26.9 log N (N < 5·108 ciclos)
ZAT
Sef @N = 315 – 24.2 log N (N < 5·108 ciclos)
29
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
ESFUERZOS FLUCTUANTES
sm = (smax + smin ) / 2
Línea de Goodman (sa / Se ) + (sm / Su ) = 1
Línea de Langer
| sm / Sy | + (sa / Sy ) = 1
sa = (smax – smin ) / 2
30
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
ENSAYO DE FATIGA: FUERZAS DE PEDALEO
ENSAYO REAL
SIMULACIÓN
F = 1 200 N; 100 000 ciclos
No debe haber fracturas o grietas visibles
31
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
PARTES DEL CONJUNTO
AJUSTE DE LOS
RODAMIENTOS
Apriete 0.1 ÷ 0.2 mm
32
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
CONDICIONES DE CONTORNO
Arista
300 mm
Punto
Eje
Superficies
33
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
MALLADO
ELEMENTOS TETRAÉDRICOS DE 2º ORDEN
34
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
TIPO DE ANÁLISIS
<
ANÁLISIS DINÁMICO
ANÁLISIS ESTÁTICO
FRECUENCIA DE APLICACIÓN
DE LA CARGA
1.5 Hz frecuencia de pedaleo
ELEVADO COSTE
COMPUTACIONAL
1/3 DE LA MENOR FRECUENCIA
DE RESONANCIA
> 15 Hz
ANÁLISIS
ESTÁTICO
LINEAL
2 ÷ 5 Hz , EFBe Engineering For Bikes
FRECUENCIA DEL 1er MODO = 48.18 Hz > 15 Hz
SIN PLASTIFICACIÓN
35
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
PEDAL DERECHO: TENSIONES DE VON MISES
36
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
ENSAYO DE FATIGA: FUERZAS HORIZONTALES
Fuerzas de 1 200 N y 600 N; 50 000 ciclos
No debe haber fracturas o grietas visibles
37
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
TIPO DE ANÁLISIS
FRECUENCIA DEL
1er
MODO = 48.59 Hz > 15 Hz
SIN PLASTIFICACIÓN
ANÁLISIS
ESTÁTICO
LINEAL
Frecuencia del 5º modo = 317.31 Hz
38
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
FUERZA = 1200 N: TENSIONES DE VON MISES
39
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
ENSAYOS DE IMPACTO
Baja velocidad de impacto < 50 m/s
No estudiamos la zona del impacto
FENÓMENOS A CONSIDERAR
Ondas de tensión
VALOR DESPRECIABLE
Dinámica y vibraciones estructurales
Elementos de contacto
Plastificación del material
COSTE
COMPUTACIONAL
ANÁLISIS ESTÁTICO
Comportamiento no lineal del material
Modelo de plastificación
ANÁLISIS NO LINEAL
40
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
ENSAYO DE IMPACTO: CAÍDA DE UNA MASA
No debe haber fracturas o
grietas visibles
Deformación permanente
entre ejes < 10 mm
41
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
FUERZA DE IMPACTO – SIMULAR
Sistema de 1 g.d.l.
Constante elástica, k
CUADRO
Coef. amortiguamiento, c
0.01 ÷ 0.03
Coef. amortiguamiento
ACELERÓMETRO
MENOR VALOR DE
FUERZA
SISTEMA SIN
AMORTIGUAMIENTO
CURVA FUERZA-TIEMPO
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL
CONDICIONES DE CONTORNO
CURVA FUERZA-TIEMPO
MALLADO
MATERIAL
Modelo de plastificación Huber-Von Mises
MÉTODO DE SOLUCIÓN
ITERATIVO
Newton-Raphson modificado con
control de fuerza
42
43
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
TENSIONES DE VON MISES
PLASTIFICACIÓN
44
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
ENSAYO DE IMPACTO: CAÍDA DEL CUADRO
No debe haber fracturas o grietas visibles
Deformación permanente entre ejes < 60 mm
45
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
CONDICIONES DE CONTORNO
46
Diseño de una bicicleta de montaña
ENSAYOS
TENSIÓNES DE VON MISES
ROTURA
47
Diseño de una bicicleta de montaña
REDISEÑO DEL CUADRO
ÍNDICE
1.- INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
2.- MATERIAL DEL CUADRO
3.- GEOMETRÍA
4.- MODELADO 3D
5.- ENSAYOS DE FATIGA E IMPACTO
6.- REDISEÑO DEL CUADRO
7.- PRESUPUESTO
48
Diseño de una bicicleta de montaña
REDISEÑO DEL CUADRO
REDISEÑO DEL CUADRO
prEN 14766:2003
Comprobación a PANDEO
REDUCIR PESO
VARIABLES DEL DISEÑO
Tamaño y forma de los tubos
Distribución y valor de las tensiones
Restricciones geométricas (componentes)
Espesores (tubo embutido)
49
Diseño de una bicicleta de montaña
REDISEÑO DEL CUADRO
DISEÑO DEL SEGUNDO MODELO
TUBO
OVALADO
EMBUTIDO
VARIABLE
FORMA
HORIZONTAL
SI
SI
NO
OBLICUO
SI
SI
NO
VERTICAL
NO
SI
NO
TIRANTES
NO
NO
SI
VAINAS
SI
NO
SI
DIRECCIÓN
NO
SI
NO
PEDALIER
NO
NO
NO
RIGIDIZADORES
NO
NO
NO
50
Diseño de una bicicleta de montaña
REDISEÑO DEL CUADRO
IMPACTO:
CAÍDA DEL CUADRO
MODELO 2
51
Diseño de una bicicleta de montaña
REDISEÑO DEL CUADRO
SEGUNDO MODELO
52
Diseño de una bicicleta de montaña
REDISEÑO DEL CUADRO
FATIGA:
PEDAL DERECHO
IMPACTO:
CAÍDA DEL CUADRO
CAÍDA DEL CUADRO,
TENSIÓN > 290 MPa
CAÍDA DEL CUADRO,
DEFORMACIÓN
ESCALA 1:1
53
Diseño de una bicicleta de montaña
REDISEÑO DEL CUADRO
DISEÑO DEL TERCER MODELO
SE HAN HECHO VARIACIONES EN:
ESPESORES DE LOS TUBOS
LONGITUDES DE EMBUTIDO
54
Diseño de una bicicleta de montaña
REDISEÑO DEL CUADRO
ENSAYO DE IMPACTO: CAÍDA DEL CUADRO
MODELO 2
MODELO 3
55
Diseño de una bicicleta de montaña
VALIDACIÓN DEL TERCER MODELO
COMPROBACIÓN DE TENSIONES
Valores de tensión adecuados
COMPROBACIÓN DE LA DEFORMACIÓN PERMANENTE
IMPACTO:
CAÍDA DEL CUADRO
Impacto: caída de una masa
1.6 mm < 10 mm
Impacto: caída del cuadro
22.4 mm < 60 mm
56
Diseño de una bicicleta de montaña
REDISEÑO DEL CUADRO
COMPROBACIÓN A PANDEO
Ensayos de impacto
Módulo de cálculo a pandeo de COSMOSDesignSTAR
Impacto: caída de una masa
Impacto: caída del cuadro
MODO 1
MODO 1
57
Diseño de una bicicleta de montaña
REDISEÑO DEL CUADRO
MODELO DEFINITIVO
Peso del cuadro: 1.76 kg
(2.21 kg)
58
Diseño de una bicicleta de montaña
FABRICACIÓN
PROCESO DE FABRICACIÓN
Elementos adicionales (guías de cable, pivotes de los frenos)
Soldadura
Alineación del cuadro
Maduración artificial
Protección frente a la corrosión (anodizado, pintado)
MAQUINARIA
COMPONENTES DEL CUADRO
9.11 kg
10.87 kg
Peso de los componentes
Peso de la bicicleta
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Diseño de una bicicleta de montaña
PRESUPUESTO
ÍNDICE
1.- INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
2.- MATERIAL DEL CUADRO
3.- GEOMETRÍA
4.- MODELADO 3D
5.- ENSAYOS DE FATIGA E IMPACTO
6.- REDISEÑO DEL CUADRO
7.- PRESUPUESTO
60
Diseño de una bicicleta de montaña
PRESUPUESTO
PRESUPUESTO
61
Diseño de una bicicleta de montaña
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