Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 8 (1): e382. Enero-Marzo. 2025. https://doi.org/10.37636/recit.v8n1e382
1 ISSN: 2594-1925
Nota técnica
Diseño de chasis para vehículo eléctrico con motores de
cubo
Chassis design for electric vehicle with hub motors
Abisai Jaime Reséndiz Barrón1, Daniel Armando Serrano Huerta1, Juan Pablo Medina
López1, Francisco Javier García Rodríguez2, Juan Antonio Clemente Chávez1
1TecNM-Querétaro, Departamento de Ingeniería Mecánica Av. Tecnológico, esq. M. Escobedo s/n, Querétaro,
Querétaro, 76000, México
2TecNM-Celaya, Departamento de Ingeniería Mecatrónica, Av. Antonio García Cubas Pte 600 Esq, Av.
Tecnológico, Celaya, Guanajuato, 38010, México.
Autor de correspondencia: Abisai Jaime Reséndiz Barrón, Tecnológico Nacional de México, Unidad Querétaro,
Dpto. Metal-Mecánica. Correo electrónico: abisai.rb@queretaro.tecnm.mx. ORCID: 0000-0001-8841-6032.
Recibido: 7 de Octubre del 2024 Aceptado: 22 de Febrero del 2025 Publicado: 6 de Marzo del 2025
Resumen. – En este artículo se presenta el diseño metodológico de sistemas de un chasis como parte de un sistema
integral que incluye varios componentes para un Vehículo Eléctrico (VE). El diseño contempla factores importantes
como, la integración de motores eléctricos de cubo como parte principal del sistema de potencia, el diseño de los
componentes de los sistemas de suspensión y dirección, así como la ubicación del espacio para el sistema
electrónico de control incluyendo la batería de litio. Las dimensiones pequeñas del vehículo juegan un papel
importante en la decisión del diseño para producto final, con la finalidad de reducir peso, costo y ayudar en la
problemática de la contaminación vial y atmosféricas de ciudades altamente congestionadas. Se contempla un
preanálisis de elementos finitos para estimar la resistencia y deformaciones de su base principal, bajo cargas
estáticas y dinámicas de impacto. El chasis se diseña para una carrocería en la que deben instalarse paneles
solares para la recarga de las baterías de litio que usarán los motores de cubo y contribuirán en la autonomía del
VE. Se debe concluir en un diseño final de VE, austero, económico, y práctico, para uso urbano.
Palabras clave: Chasis; Diseño; Motor-eléctrico; Vehículo-eléctrico.
Abstract. – This article presents the methodological design of chassis systems as part of an integral system that
includes several components for an Electric Vehicle (EV). The design includes important factors such as the
integration of electric hub motors as the main part of the power system, the design of the components of the
suspension and steering systems, as well as the location of the space for the electronic control system, including the
lithium battery. The small dimensions of the vehicle play an important role in the design decision for the final
product, in order to reduce weight, cost and help with the problem of road and air pollution in highly congested
cities. A finite element pre-analysis is contemplated to estimate the resistance and deformations of its main base
under static and dynamic impact loads. The chassis is designed for a body in which solar panels must be installed
to recharge the lithium batteries used by the hub motors and contribute to the EV's autonomy. It must conclude in
a final austere, economical, and practical EV design for urban use.
Keywords: Chassis; Design; Electric-motor; Electric-vehicle.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 8 (1): e382.
2 ISSN: 2594-1925
1. Introducción
El chasis de un vehículo es la estructura base
donde se ensamblan los demás componentes.
Adicionalmente soporta cargas y ofrece una
resistente protección en caso de coaliciones y
volcaduras. En su diseño se sacrifican algunas
cualidades para ganar otras, esto es, en la
fabricación de un chasis existen tres parámetros
fundamentales:
1. Ligereza. Mejora la potencia y rendimiento de
un motor, pero debe ir acompañado de un chasis
ligero, en otro caso se está desperdiciando
potencia. Por otro lado, el chasis es uno de los
elementos más pesados del vehículo, y un
aumento de ligereza proporciona una
disminución de consumo de energía.
2. Rigidez. Es la característica más importante
del chasis. Una manufactura resistente a
impactos es importante en la seguridad de sus
ocupantes.
3. Economía. El chasis debe ser económicamente
viable. La fabricación con presupuestos altos es
únicamente empleada en series cortas de
vehículos de gama especial [1].
La historia del chasis para vehículo, evoluciona
casi a la par con la del automóvil, tanto de
combustión interna como Vehículo Eléctrico
(VE). Los primeros chasis eran de madera, hasta
que vino el descubrimiento del hierro y el
aluminio, para fabricar los primeros chasises en
acero, de hecho, la evolución del automóvil
comienza con los vehículos impulsados por
vapor en el siglo XVIII. Karl Benz en el año 1886
solicitó la patente de un vehículo de tres ruedas,
sin volante y una velocidad de 16 km/h, hoy se le
reconoce como el primer automóvil del mundo
producido en serie [2], su chasis estaba
construido con una combinación de hierro y
madera, el vehículo fue conocido como
“Motorwagen”. Hay registros de que en 1976
José Caugnot, montó una máquina de vapor sobre
un chasis, el cual se le puede considerar como
primer automóvil de la historia, por otro lado,
desde 1984 y hasta los años veinte, hubo un auge
de los vehículos eléctricos [3].
La industria automotriz está sufriendo grandes
cambios, debido a la urgente necesidad de
contribuir en soluciones innovadoras y eficientes
que permitan contribuir en la lucha contra la
contaminación ambiental y así incursionar en el
cambio climático.
El desarrollo tecnológico y científico en materia
de VE, híbridos y sistemas de propulsión más
eficientes y limpios, es cada vez más notable.
Aunque se han logrado avances significativos,
aún queda un largo camino por recorrer para
alcanzar una movilidad y transporte
verdaderamente sostenible y respetuosa con el
medio ambiente.
En lo que respecta al VE, los esfuerzos en la
investigación se concentran en cada parte del
vehículo, desde la batería de ion litio [4], hasta la
trasmisión mecánica de vehículo [5], por lo que
es de suma importancia considerar la autonomía
energética de los VE´s, en ello se ven
involucrados la carrocería y chasis del vehículo.
En particular la batería requiere de un medio
generador que las abastezca, generalmente en los
VE´s, ésta depende de la red eléctrica urbana
donde a menudo coexisten cuestiones políticas,
sociales y naturales, tanto en su producción como
en su distribución [6].
La Comisión Federal de Electricidad (CFE) es el
órgano gubernamental principal proveedor de
energía eléctrica en México, por ejemplo, en [7,
8, 9] se contemplan las perspectivas del sector
energético en México hasta el 2025, pero no se
vislumbran aspectos energéticos para los centros
de carga de VE´s.
Por mencionar alguna deficiencia, de acuerdo
con [7] hay alrededor de 500 puntos geotérmicos
para producir electricidad y solo 4 de ellos están
siendo explotados, aun cuando existen leyes
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 8 (1): e382.
3 ISSN: 2594-1925
internacionales de aprovechamiento de la energía
como la tratada en [10], esto sin considerar la
preocupación por el cambio climático que tanto
afecta al medio ambiente [11], incluyendo el
efecto invernadero debido a la gran
contaminación, de los cuales los vehículos de
combustión interna contribuyen en gran medida.
Durante la evolución del VE, se observan ciertos
esfuerzos por obtener la autonomía mediante
algunas fuentes de Integración Alternativas de
Energía (IAE) [12] y [13], que incluyen los
paneles solares integrados al vehículo [14] y [15],
y/o el freno regenerativo relativo a los motores de
cubo que van en las llantas y pertenecen al
sistema de propulsión del chasis de un VE [16].
En este contexto la energía de los paneles solares,
en México es poco explotada [15], aun cuando
México es un País con mucha irradiación solar,
en redes se puede encontrar reseñas donde los
paneles solares sobre los toldos de la carrocería
de VE´s permiten una autonomía hasta de 50km.
La generación de energía eléctrica fotovoltaica
representa una de las alternativas para
complementar la carga energética de las baterías
de ion-litio, que como se sabe el carbonato de
litio es el mineral principal para la construcción
de estas baterías, y hay una euforia actual en el
mundo por las reservas de litio [8].
México es un País que cuenta con los elementos
principales para una gran fuente de energía
sustentable como lo es el litio combinado siendo
el principal componente de las baterías que puede
ser alimentado con la energía de la irradiación
solar, como principal soporte de energía
sostenible.
2. Antecedentes
El primer chasis para vehículo se obtuvo en 1835,
siendo Sibrindus Stratingh, quien lo diseño y su
asistente Cristopher Becker quien lo construyo en
Groningen, Holanda [17, 18]. Los primeros
chasis para vehículos eléctricos utilitarios, según
Chuncusig [19] fueron construidos por Thomas
Davenport y Robert Davison en 1842, su
funcionalidad fue limitada debido a que no tenían
baterías recargables. Fue en New York, en 1897,
cuando la primera aplicación comercial de chasis
para vehículos eléctricos se desarrolló por la
Electric Carriage y Wagon Company de
Philadelphia, con la creación de una flota de taxis
eléctricos, con un número de 100 unidades
aproximadamente, ampliándose más tarde a otras
ciudades norteamericanas.
Los chasis para los vehículos eléctricos fueron
ampliamente utilizados A finales del siglo XIX,
con la producción en masa de las baterías
recargables, Los vehículos llegaron incluso a
establecer un nuevo récord de velocidad de 106
kph en 1899 [20]. El desuso de VE´s particulares
no significó la desaparición de los mismos en
diferentes aplicaciones. Los taxis eléctricos
fueron abandonados a mediados de 1920, [18, 21,
22]. Su chasis continuó fabricándose, pero para
camiones eléctricos, comerciales e industriales,
los cuales siguieron creciendo durante el año
1920 y en otras aplicaciones en 1930.
Renault con su primer chasis para su auto
eléctrico en 1928, fue en los próximos, años las
grandes marcas de automóviles que apostarían
poco a poco por los vehículos eléctricos, seguido
de Peugeot que, en el año de 1941, que fabricó
400 vehículos eléctricos con una autonomía de
80 km a una velocidad de 32 km/h [23]. En el año
1973 General Motors, desarrolló un vehículo
eléctrico con cargador de baterías, el cual fue
presentado en el primer Simposio de Desarrollo
de Sistemas de Energía de baja contaminación
[18, 17, 22].
En 1990 el CARB (California Air Resources
Board) agencia del gobierno de California
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 8 (1): e382.
4 ISSN: 2594-1925
ocupada de la calidad del aire, aprobó la ley
“Vehículo de emisión cero (ZEV)”, esta obligaba
a las compañías fabricantes de automóviles a que
dispongan de cláusulas de cero emisiones [19].
Así nace el modelo EV1, con una autonomía de
130 km, siendo un vehículo completamente
eléctrico. De la misma iniciativa nacieron
vehículos como el Toyota RAVEV, el Ford
Think, el Nissan Altra EV, entre otros [24].
El diseño del chasis para un VE, no difiere mucho
del diseño convencional de vehículos, no
obstante, la versatilidad de los motores eléctricos
disponibles para VE, hace que el diseño de chasis
tenga varias observaciones que lo modifican, [5].
El considerar desde motores eléctricos de
Corriente Alterna CA, de gran potencia, que
requieren de sistema de refrigeración tanto para
el motor como para el sistema energético [25],
hace necesario un compartimiento para albergar
los sistemas de refrigeración; hasta motores
eléctricos de cubo de baja y mediana potencia
que van colocados en las llantas y por esta
disposición ocupan poco espacio.
Razones como estas, hacen que la selección del
motor eléctrico sea una parte importante en el
diseño del chasis del VE. Los motores de cubo
originalmente se diseñaron para VE de dos
ruedas [26], pero actualmente se han
popularizado bastante, y ya se están
implementando en VE de tres y cuatro ruedas. En
[27], se puede ver una investigación exhaustiva
sobre características principales en la selección
de un motor para VE, en particular para el diseño
de chasis para un VE urbano ligero, con
normatividad europea puede verse en [28], y la
fabricación de un VE con autonomía por energía
solar en [29].
Centros de investigación en universidades y
laboratorios se están dedicando a la investigación
sobre la autonomía de VE, algunos se están
concentrando en la optimización del motor
eléctrico, en general está habiendo una evolución
en lo que respecta al cambio de motor de
combustión interna a motor eléctrico en los
automóviles, evolución que data desde 1832, esto
es casi a la par con la evolución del motor a
combustión interna.
La investigación sobre integración de fuentes
energéticas a la carrocería de VE, también es un
tema de vanguardia, Toyota presentó un VE, con
celdas fotovoltaicas colocadas en el toldo del VE
[14], estas complementan la generación de
energía que requiere la batería de litio para la
autonomía del vehículo. Tesla motor´s en [30],
presentó un VE con una de las primeras formas
de disposición de las baterías en el chasis y la
implementación de freno regenerativo en el
motor [16], estas dos características innovadoras
del VE, son consideraciones importantes en el
diseño del chasis. En general, para obtener un VE
urbano ligero, deben cuidarse los detalles en su
diseño y fabricación [28].
En este artículo se presenta el diseño del chasis
para la propuesta de diseñar y fabricar un VE
austero, que permita una movilidad urbana de
forma práctica, económica y sustentable, el
chasis deberá ser diseñado para montarle una
carrocería de fibra de vidrio que lleva paneles
solares integrados. El diseño requiere de un
chasis adecuado que sea compatible con
materiales ligeros, pero a su vez resistente para
transportar el peso del vehículo para un pasajero,
máximo dos pasajeros, en el menor espacio
posible, observando algunas normas de
ergonomía y seguridad como las presentadas en
[9], [31] y [32].
Así, se empieza con un diseño innovador, que
tenga dimensiones menores a las habituales,
permitiendo mayor ligereza de carrocería y
chasis, lo que se traduce en economía, mayor
potencia de los motores eléctricos para la
movilidad, esto es transporte y fácil
aparcamiento en ciudades altamente
congestionada, etc.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 8 (1): e382.
5 ISSN: 2594-1925
3. Materiales y métodos
Se usará la metodología de diseño de sistemas,
para lograr el objetivo del diseño del chasis,
donde se incluyen diseño de cuadro base del
chasis, diseño del sistema de suspensión, diseño
de sistema dirección, diseño de sistema de
potencia y diseño de ubicación de accesorios,
todo para integrarse a una carrocería para un VE,
se procederá siguiendo el diagrama de flujo de
Figura 1.
Figura 1. Diagrama de flujo del proceso de diseño
3.1 Conceptos, datos y bosquejos
Se inicia con la recopilación de información, para
obtener las especificaciones y datos del vehículo
a diseñar, en el que se incluye el chasis como
parte fundamental de este trabajo:
Investigación sobre los VE pequeños existentes
en el mercado, y diferentes mecanismos de
trasmisión mecánica, incluyendo costos, usos, y
autonomía. La mayor parte de VE para uso
urbano, es de fabricación China, con motores de
baja potencia, generalmente con eje de
trasmisión, cupo para máximo tres pasajeros,
dimensiones por ejemplo de 220 cm x 110 cm x
135 cm, como el Kiwo [33], mostrado en la
Figura 2, con especificaciones mostradas en
Tabla 1.
Investigación sobre motores de cubo para la
propulsión mecánica de VE. Para reducir espacio
se optó por usar motores de cubo, los cuales van
en las ruedas del vehículo, eliminando la
necesidad de caja de trasmisión, ahorrando
espacio, que puede ser usado para los pasajeros,
esto permite disminuir aún más las medidas del
vehículo. Además, la investigación apunta una
tendencia mundial de utilizar motores de cubo
para VE de baja velocidad, de acuerdo a [34].
Ya que la finalidad es obtener un VE austero y
económico para uso urbano, el reducir el tamaño
del VE, y eliminar algunos componentes
mecánicos como la trasmisión, resulta un
vehículo de menor peso, el cálculo a priori, es un
vehículo de unos 100 kg de peso, por lo que dos
motores de cubo de 350 a 500W pueden mover el
vehículo a velocidad moderada, en analogía con
2 vehículos de dos ruedas como dos bicicletas
eléctricas. Estas estimaciones a priori, permiten
obtener los primeros datos para las dimensiones
del vehículo, y comenzar a esbozar los bosquejos
del cuadro del chasis.
Se estudiaron los diferentes sistemas mecánicos
del VE, para bosquejar los sistemas como
dirección y suspensión. Existe una gran cantidad
de sistemas de suspensión [35], las más sencillas
son las suspensiones rígidas, mientras que la
suspensión delantera más usada es la suspensión
McPherson, que resulta ser una modalidad de la
suspensión de horquillas.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 8 (1): e382.
6 ISSN: 2594-1925
Por otra parte, el sistema de dirección más
utilizado consiste de cremallera y brazos tipo
Pitman. Se puede obtener una lista de los coches
eléctricos más pequeños: guía con los mejores
coches para moverse por ciudad, ver [36], el más
pequeño de este reporte es el Fiat 500e, con 3.63
m de largo.
No obstante, el mercado Chino e Hindú ofrece
VE, mucho más pequeños como el flybo
6000ZX, el mahindra [37], o vehículos
recreativos aún más pequeños como el Kiwo que
se ofrece a precio muy económico en almacenes
comerciales. Como este VE, se ofrecen muchos
otros en el mercado.
Tabla 1. Especificaciones del VE Kiwo [33].
Motor:
MZ-60V-1200W
Potencia Máxima:
1200W
Autonomía:
60 km
Batería:
Batería de ácido 60V-5ah
Freno delantero:
Disco
Freno trasero:
Disco
Suspensión
Electrónica
Rueda trasera:
5.00 R12
Rueda delantera:
120/70-12“
Número de pasajeros:
3
Sistema de interrupción:
Interrupción de disco
Largo x ancho x alto:
220 x 110 x 135 cm
Carga máxima:
300kg
Tiempo de carga:
De 6 a 10 hrs.
Peso del vehículo:
100 kg
Velocidad máxima:
40km/h
Figura 2. VE recreativo Kiwo [33].
En la Tabla 2 se resumen las especificaciones y
datos para el diseño del VE austero, que serán
corroborados en el proceso del diseño.
Tabla 2. Especificaciones para el diseño del VE.
2 motores tipo cubo
36V-350W
Potencia Máxima:
700W
Suspensión frontal
Horquillas
Velocidad máxima:
60km/h
Freno delantero:
Disco
Freno trasero:
Disco
Ruedas
R10
Suspensión trasera
Muelles
Batería:
Ion litio de 36V.
Cubierta
Descapotable
Largo x ancho x alto
200 x 100 x 120 cm
Carga máxima:
150 kg
Tiempo de carga:
De 2 a 4 hrs
Número de pasajeros:
1 máximo 2
Peso del vehículo:
100 kg
Las especificaciones de Tabla 2, se obtuvieron
observando las normas de ergonomía y seguridad
análogas a las que se consideraron para el
vehículo utilitario en [31], pero en particular la
norma Mexicana NOM-068 para condiciones
físico mecánicas y de seguridad, ver [9], y para
los espacios se tomó en cuenta la norma
internacional descrita en [32].
3.2 Diseño de Piezas.
3.2.1 Diseño del cuadro base.
En función a la recopilación de datos, y cálculos
preliminares y considerando la norma para
medidas del cuerpo humano, ver [38], aplicada a
la estatura del humano adulto, promedio en
Países latinoamericanos es de 1.70 m, se obtuvo
el boceto de Figura 3, que servirá como base para
determinar el cuadro del chasis.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 8 (1): e382.
7 ISSN: 2594-1925
Figura. 3. Boceto para diseño de VE, en mm
Este cuadro es la base del VE, mide 1 x 2 m,
considerando la holgura de la carrocería que será
instalada sobre el chasis, el cuadro de chasis es
de 1.86 x 90 cm. Se usó software de CAD, para
los dibujos en 2D y 3D, obteniendo el cuadro
base de chasis representado en la Figura 4. Ahí
puede verse que la parte delantera considera los
soportes únicamente para las horquillas de la
suspensión, en el centro del cuadro se observa el
soporte para un asiento largo para la comodidad
de una persona de acuerdo a los datos que
arrojaron los cálculos considerando la norma
para medidas del cuerpo humano [38]. En la parte
final se restringe el cuadro para contener los
motores de cubo, con suficiente espacio para dar
alternativas al usuario de optar por algún motor
de más potencia, en particular para los motores
más austeros seleccionados, fueron de 350 W, el
sistema de suspensión trasera austera,
seleccionada será de muelles.
Figura 4. Cuadro base de chasis.
En la Figura 5, se aprecian las dimensiones que
deben llevar, tanto el cuadro base de chasis como
la posición de los diferentes soportes de los
sistemas periféricos del chasis.
Figura 5. Planos de cuadro base de chasis en m.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 8 (1): e382.
8 ISSN: 2594-1925
3.2.2 Diseño de sistema de suspensión
Existen diferentes tipos de suspensión, de
acuerdo a [39] se puede elaborar una
clasificación general.
Tabla 3. Clasificación general se suspensión
Suspensión
Ubicación
Rígida con muelle
Trasera
R. con amortiguador
Trasera
Barra Panhard
Trasera
Semi Rígida Dion
Trasera
S. rígida Dion y muelle
Trasera
Eje torsional
Trasera
Horquillas
Delantera
Eje oscilante
Delantera
McPherson
Delantera
Analizando su funcionalidad y el espacio que
ocupa cada una de las suspensiones de la Tabla 3,
se decide por una suspensión delantera
independiente de horquillas superior e inferior, y
un diseño de suspensión rígida de muelles
comerciales para la suspensión trasera.
Las piezas que comprenden el sistema de
suspensión delantera de horquillas son: Horquilla
superior, horquilla inferior, amortiguadores, y
masas para sujeción de llantas delanteras. El
diseño de la suspensión delantera se puede ver en
la Figura 6, donde se incluye una rueda del
vehículo y la varilla de brazo Pitman para unirse
con el sistema de dirección.
Figura 6. Diseño de suspensión delantera con rueda.
El esquema representa como alternativa, un
posible motor de cubo para llantas delanteras,
con el fin de incrementar potencia deseada en el
vehículo.
En los planos de la Figura 7 y 8 se pueden
apreciar las dimensiones de las horquillas y de las
masas que son los principales componentes del
sistema de suspensión delantera. Los
amortiguadores se consideran de adquisición
comercial.
Figura 7. Planos de horquilla superior e inferior en cm.
Figura 8. Planos para masas de ruedas delanteras.