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Trabajo realizado por:Camilo Uribe Alex García Ingeniería Mecánica Universidad de Antioquia
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Contenido
I. INTRODUCCIN............................................................................................................. 3
II. OBJETIVOS..................................................................................................................... 3
1. DIMENSIONAMIENTO DEL MARCO ............................................................................. 4
2. DISEO INICIAL ............................................................................................................. 7
3. ANLISIS DE RESISTENCIA EN EL MARCO............................................................... 9
3.1 PRIMER ESTADO DE CARGA........................................................................................ 9
3.1.1 Descripcin del problema fsico .................................................................................... 9
3.1.2 Simplificaciones ........................................................................................................... 10
3.1.3 Contactos..................................................................................................................... 10
3.1.3 Discretizacin del Continuo......................................................................................... 10
3.1.4 Anlisis de Convergencia ............................................................................................ 16
3.1.5 Visualizacin de Resultados ....................................................................................... 17
3.2 SEGUNDO ESTADO DE CARGA ................................................................................. 18
3.2.1 Discretizacin del Continuo......................................................................................... 19
3.2.3 Anlisis de Convergencia ............................................................................................ 21
4. ANLISIS DE RESULTADOS....................................................................................... 22
5. DISEO DE ARTICULACIONES.................................................................................. 24
5.1 Articulacin 1 y 2 ............................................................................................................ 24
5.2 Articulacin 2 y 3 ............................................................................................................ 26
5.3 Articulaciones del manubrio ........................................................................................... 27
6. SELECCIN DE COMPONENTES .............................................................................. 28
6.1 Frenos ............................................................................................................................. 28
6.2 Neumticos ..................................................................................................................... 29
6.3 Silln y Mangos ............................................................................................................... 30
2
6.4 Conjunto Plato - Biela .................................................................................................... 31
6.5 Cadena ........................................................................................................................... 32
6.6 Manzanas ....................................................................................................................... 33
6.7 Pedales ........................................................................................................................... 33
6.8 Manubrio y espiga ......................................................................................................... 33
7. Apartado Comercial .......................................................................................................... 34
7.1 Identidad del producto .................................................................................................... 34
7.1 Nicho de Mercado .......................................................................................................... 35
7.2 Introduccin al mercado ................................................................................................. 35
8. Bibliografa ........................................................................................................................ 37
3
I. INTRODUCCIN
Las mquinas son una invencin del hombre para hacer la vida ms sencilla. Estas han
liberado al ser humano de la aplicacin de la fuerza bruta por medio de un uso racional y
eficiente de la energa. El diseo de mquinas es una disciplina que combina conceptos de
varias ciencias para ponerlos al servicio de la creatividad del ser humano, creando
mquinas que automatizan tareas demasiado tediosas, repetitivas, difciles o peligrosas
para ser desempeadas por un ser humano. El trabajo de un ingeniero mecnico es crear
diseos que satisfagan una necesidad y sean viables econmica, ambiental y
tecnolgicamente.
Uno de los ms grandes desafos en las sociedades modernas es la organizacin de
sistemas de transporte ambientalmente amigables y eficientes para las grandes
aglomeraciones urbanas. Los numerosos problemas de movilidad en las ciudades
ocasionados por la masificacin descontrolada del vehculo particular y la creciente
demanda de servicios de transporte en zonas densamente pobladas, han puesto los ojos
del mundo en la promocin de los sistemas transporte alternativos, siendo la bicicleta uno
de ellos.
El presente trabajo es el reporte del proceso de diseo de una bicicleta porttil, continuacin
de la primera entrega de seleccin de alternativa de diseo. Se detallan los pasos de
dimensionamiento y diseo de la geometra del marco de la bicicleta y la seleccin de
componentes y materiales para las partes accesorias. Se hacen anlisis de resistencia de
materiales para asegurar el correcto funcionamiento de la bicicleta para las condiciones de
uso determinadas. Con el trabajo se adjuntan los planos de los componentes de la bicicleta.
II. OBJETIVOS
General:
Seguimiento del proceso detallado de diseo de una bicicleta portable, con nfasis en la
descripcin de las diferentes etapas del proceso.
Especficos:
Dimensionamiento de la bicicleta
Anlisis de resistencia de la geometra seleccionada
Diseo de articulaciones
Seleccin de partes comerciales
4
1. DIMENSIONAMIENTO DEL MARCO
Durante el proceso de diseo del marco de la bicicleta, se buscaron consideraciones
apropiadas para el dimensionamiento del marco, de acuerdo a la anatoma del usuario final
y condiciones de portabilidad. Se encontraron diferentes tablas que relacionan dimensiones
anatmicas con el tamao ideal del marco para diferentes tipos de bicicleta. En la siguiente
tabla se muestran tamaos sugeridos de marco con respecto a la estatura y tiro de la
entrepierna (medida desde la ingle hasta los tobillos), para bicicletas todoterreno comunes [1]:
Tabla 1. Tamao sugerido de Marco
La regin delimitada por el rectngulo rojo representa el rango de estaturas objetivo para la
bicicleta a disear (161 cm a 175 cm). Este intervalo cubre la estatura promedio para
hombres y mujeres en Colombia. En esta zona, se ve como el tamao de marco (Frame
size) sugerido est entre 15 y 18 pulgadas. En la siguiente imagen se muestra la ubicacin
de la medida
.
Fig. 1. Ubicacin de la medida de tamao de marco
5
De la anterior imagen, vemos como la distancia entre el silln en posicin normal y el eje de
los pedales es el tamao de marco ms la medida del tubo del silln, que representa
aproximadamente la quinta parte del tamao de marco para la imagen mostrada.
Debido a las caractersticas de portabilidad de la bicicleta a disear, es necesario garantizar
un tamao de marco lo ms pequeo posible. Por lo tanto, para reducir el tamao de marco
sin afectar la medida principal de funcionamiento, que es la distancia entre el silln en
posicin normal y el eje de los pedales, se har un tubo de silln mucho ms largo que en
las bicicletas convencionales.
Como medida de trabajo se asumir una distancia del silln en posicin normal al eje de los
pedales de 30 pulgadas, teniendo en cuenta las 18 pulgadas del tamao de marco
recomendado y 12 pulgadas adicionales de lo que sera la longitud del tubo del silln en una
bicicleta convencional.
Para la seleccin del tamao de las ruedas de la bicicleta, se debe tener en cuenta el
equilibrio entre tamao y eficiencia al pedaleo. Una rueda de dimetro muy pequeo ser
compacta pero presentar mayor resistencia al avance con respecto a una de dimetro
mayor. Conforme a este principio y a la norma ISO 5775 para las llantas de bicicleta [2], se
escogen llantas de 16 pulgadas de dimetro, el dimetro comercial ms usado en bicicletas
plegables.
Para la determinacin del resto de dimensiones de la bicicleta, es necesario explicar el
proceso de plegado del marco, el cual consta de dos pasos:
Retraccin del tubo superior: El tubo superior est compuesto por dos partes, una
desliza sobre la otra para reducir las dimensiones de la bicicleta.
Doblado del marco: Una vez retrado el tubo superior, se dobla el marco en torno a un
eje, de forma que las dos ruedas se superpongan.
Siguiendo este principio de doblado, para asegurar que las ruedas se superpongan al estar
la bicicleta plegada, el tubo superior debe retraerse una longitud especfica. Se defini que
el tubo superior se retraer 3/8 de la longitud total. Con las longitudes de diseo ya
establecidas y esta condicin, se empez a dimensionar la bicicleta de tal forma que el eje
de revolucin de plegado de la bicicleta coincida con el tubo de asiento. El eje de revolucin
de plegado corresponde a la recta perpendicular que pasa por el punto medio de la recta
que une a las dos ruedas cuando el tubo superior de la bicicleta se encuentra contrado.
Este dimensionamiento se efectu por medio de un proceso de sntesis iterativo, y se
obtuvieron las medidas preliminares para la estructura general de la bicicleta, como se
puede observar en la siguiente imagen.
6
Fig. 2. Dimensiones generales de la bicicleta en mm.
En la siguiente imagen se muestra la bicicleta con el tubo superior retrado. Se puede
observar que el eje de giro anteriormente descrito cumple la condicin deseada.
Fig. 3. Bicicleta con el eje superior retrado (medidas en mm).
7
2. DISEO INICIAL
Despus de tener las dimensiones generales de la bicicleta, obtenidas durante la sntesis
anteriormente expuesta, se procede al diseo de la estructura general de la bicicleta, la
cual est compuesta por el marco, el tenedor y el tubo que soporta el asiento
Para obtener un plegado de mayor ajuste, se opt por que el sistema de sujecin de las
ruedas sea de tipo lefty, es decir, solo se sostengan por un lado, diferente a un tenedor de
bicicleta convencional.
El marco est compuesto por tres partes:
Parte 1: Se refiere a la parte del tubo superior que sostiene el tenedor. Esta parte se desliza
al interior de la parte 2 al momento de plegar la bicicleta, ya que estas dos partes conforman
un conjunto telescpico.
Parte 2: Esta parte va ensamblada con las partes 3 y 1. Esta parte rota con respecto a la
parte 3 para el plegado de la bicicleta.
Parte 3: Esta parte soporta la llanta trasera y el tubo del asiento. En esta pieza se
encuentra el eje de rotacin para el plegado de la bicicleta.
8
Tenedor: Parte del marco que sostiene la rueda frontal
Con el fin de comprobar la resistencia mecnica del diseo del marco durante su uso
normal, se har un anlisis por elementos finitos del ensamble sometido a cargas
especficas.
Fig. 4. Marco ensamblado.
9
3. ANLISIS DE RESISTENCIA EN EL MARCO
Durante el proceso de diseo del marco, se utiliz el mtodo de los elementos finitos, para
determinar su resistencia ante condiciones de trabajo especficas, por medio del software
ANSYS. Para este anlisis se sigui el flujo de trabajo convencional de pre procesamiento,
procesamiento y post-procesamiento para detallar las diferentes etapas del proceso.
Se someti el ensamble de las partes del marco a dos pruebas, correspondientes a
diferentes estados de uso, extrados de la literatura existente para el diseo de marcos de
bicicleta:
El primer estado es el de una carga vertical en el asiento de 2400 N, basado en un
caso extremo para la situacin de un ciclista sentado.
El segundo estado de carga corresponde al escenario hipottico del ciclista pedaleando
parado en los pedales, con la carga concentrada en el pedal derecho, cargas de
resistencia del aire y cargas en los extremos del manubrio.
3.1 PRIMER ESTADO DE CARGA
3.1.1 Descripcin del problema fsico
Los dos estados de carga que fueron analizados corresponden a los extremos de uso
planteados por Maestrelli y Falsini (2008), utilizados por Covill y Begg (2014) en el estudio
de anlisis por elementos finitos para diferentes geometras de marcos de bicicleta [3]. En
el primer caso, se hace el anlisis para una persona sentada en el silln, con una carga
completamente vertical de 2400 N. En la imagen se muestra el estado de carga analizado.
Fig. 5. Estado de carga 1.
10
En la geometra analizada, diferente a la de la literatura, se opt por situar las reacciones
en la mitad superior de los agujeros que sostienen las dos ruedas.
3.1.2 Simplificaciones
Para la resolucin del problema, se considerarn las siguientes simplificaciones:
Anlisis esttico
Conservacin de la energa mecnica (no se considerarn efectos trmicos)
Material elstico, homogneo, isotrpico y lineal.
3.1.3 Contactos
El ensamble del marco consta de cinco piezas, unidas por cuatro regiones de contacto.
Para un correcto anlisis es necesario determinar el tipo de contacto adecuado para cada
unin, teniendo en cuenta sus caractersticas y comportamiento mecnico en el uso normal
de la bicicleta.
Contacto 1: Unin de la pieza 1 con el tenedor. En este contacto, se utiliz del tipo sin
friccin, ya que se debe tener en cuenta la posibilidad de movimiento del manubrio, en torno
a un eje, con el fin de darle direccin a la bicicleta. Este tipo de contacto permite el
movimiento relativo entre superficies, pues asume un coeficiente de friccin de 0.
Contacto 2: Unin de la pieza 1 con la pieza 2. En este caso se utiliz un contacto tipo
bonded. Estas dos piezas no presentan movimiento relativo entre ellas, y en caso de una
deformacin, las dos piezas se deformarn juntas, sin existir separacin entre ellas.
Contacto 3: Unin de la pieza 2 con la pieza 3. En estado normal de funcionamiento, la
parte 2 no debe girar con respecto a la 3. Con el fin de satisfacer esta exigencia, se utiliz
un contacto Rough, el cual no permite el movimiento relativo entre superficies (coeficiente
de friccin infinito), pero si permite el desprendimiento de las superficies cuando estn
sometidas a cargas lo suficientemente altas.
3.1.3 Discretizacin del Continuo
Durante el anlisis del sistema por el mtodo de elementos finitos, se decidi usar la
herramienta del anlisis de convergencia para tener un nivel aceptable de certeza sobre los
resultados obtenidos. De esta forma, se realizaron mallados paulatinamente ms refinados,
hasta obtener una variacin mnima en el resultado del esfuerzo mximo de Von mises, que
se utiliz como marco de referencia para el anlisis de convergencia.
11
Se hicieron 4 simulaciones antes de llegar a un resultado aceptable. Se describir cada una
de las mallas elaboradas durante el proceso.
Malla 1
Inicialmente, se inici con el mallado automtico de ansys, solamente modificando el
parmetro de sizing. En esta primera simulacin, se utiliz el mismo tipo de malla y tamao
de elemento en todo el ensamble, con el fin de observar el comportamiento general del
ensamble y determinar las zonas de inters para los anlisis siguientes.
Los elementos asignados por el software son del tipo hexagonal, con un tamao mnimo de
6 mm. A continuacin se muestran los detalles de la malla obtenida.
En los resultados de la simulacin, se observa que los mayores esfuerzos se encuentran
en el tubo del silln y la parte trasera del marco.
12
Fig. 5. Esfuerzos resultantes (estado de carga 1, malla 1).
Malla 2
Esta segunda malla se hizo con el fin de verificar la ubicacin de los valores de esfuerzo y
deformacin en el marco, y la variacin en su ubicacin al usar un tamao de elemento
menor al de la malla 1. Se us el mismo tipo de mallado que en el caso anterior, igual para
todo el ensamble, nicamente modificando el tamao de elemento, con un mnimo de 5 y
un mximo de 7 milmetros. Los detalles de la malla obtenida se dan en la siguiente imagen.
13
La distribucin de los esfuerzos fue igual al caso de la malla 1, afirmando el tubo del silln
y el soporte trasero como zonas de inters para las siguientes simulaciones.
Malla 3
En este mallado se modific el parmetro de relevancia de la malla, elevndolo a 100. El
resto de parmetros generales se dejaron igual a la malla 2.
La principal modificacin en este caso fue el refinamiento de la malla en los sectores de
mayor inters, esto es, en el agujero de sujecin del marco con la rueda trasera y el tubo
del silln
El uso de esta herramienta, permiti una malla mucho ms fina en estas zonas de inters,
como se puede apreciar en las siguientes figuras:
14
Figs. 6 y 7. Refinamientos en los puntos de mayor esfuerzo.
Con este refinamiento, el nmero de elementos de la malla se increment
considerablemente con respecto a las mallas 1 y 2.
Malla 4
Para esta malla, se modificaron tres parmetros. Se aument la intensidad del suavizado
de malla (mesh smoothing), con el fin de tener una malla ms lisa, con una correspondencia
ms precisa a la geometra real. Tambin se modific el parmetro de transicin por una
suave, para que los cambios en el tamao de los elementos fueran menos bruscos. Por
ltimo se cambiaron los tamaos mximos y mnimos de los elementos para la zona general
del ensamble. A continuacin se ven los detalles de la malla 4.
15
En el refinamiento de la parte trasera, se disminuy el tamao de los elementos.
Fig.8. Refinamiento en el apoyo trasero.
16
3.1.4 Anlisis de Convergencia
Se recopilaron datos de las simulaciones llevadas a cabo, con el fin de verificar una
tendencia a la estabilidad o convergencia del anlisis, tomando como dato de referencia el
esfuerzo mximo de Von Mises, un criterio vlido para materiales dctiles como la aleacin
de aluminio utilizada.
Se tom como valido el resultado de la cuarta simulacin, en la que el valor del esfuerzo
presento una variacin de 4,2% respecto a la simulacin anterior. En la siguiente tabla se
muestran los resultados para las 4 simulaciones.
Malla Nmero de elementos
Calidad Promedio de los elementos
Deformacin mxima (mm)
Esfuerzo Mximo de Von Mises (Mpa)
Factor de Seguridad Mnimo
Variacin del Esfuerzo Mximo (%)
1 58447 0,777 15,15 211,01 1,308 -NA-
2 85040 0,816 14,966 283,57 0,973 34,386
3 128961 0,781 14,998 558,99 0,493 97,125
4 154033 0,785 15,011 582,63 0,4737 4,229
211,01
283,57
558,99
582,63
0
100
200
300
400
500
600
700
58447 85040 128961 154033
Es
fue
rzo
m
xim
o (
Mp
a)
Nmero de elementos
Anlisis de ConvergenciaPrimer estado de carga
17
3.1.5 Visualizacin de Resultados
Se muestran resultados para la simulacin definitiva del primer estado de carga.
Posteriormente se har un anlisis global de resultados.
Fig. 9 Deformacin total (Estado de carga 1)
Fig. 10 Esfuerzo mximo de Von Mises (Estado de carga 1)
18
Fig. 11 Factor de seguridad (Estado de carga 1)
Fig.12 Regiones con Factor de Seguridad menor a 1 (Estado de carga 1)
3.2 SEGUNDO ESTADO DE CARGA
El segundo estado de carga se obtuvo de la misma fuente citada anteriormente. En este
caso, se simula a un usuario parado en los pedales, con el peso concentrado en el pedal
derecho y cargas en el manubrio.
19
Fig.13 Estado de carga 2
En el caso de la geometra analizada, al no tener el manubrio instalado, se pusieron
momentos equivalentes a las fuerzas del modelo a la distancia que se prev estarn los
mangos del eje del tenedor.
En el anlisis de este estado de carga se utilizaron las mismas simplificaciones y contactos
que en el primer estado de carga, por lo que se pasar directamente a la explicacin de la
etapa de Discretizacin del ensamble.
3.2.1 Discretizacin del Continuo
Se sigui la misma estrategia de mallado anterior, iniciando con mallas ms burdas y
refinando el modelo de acuerdo a el comportamiento mecnico en el estado de carga en
cuestin, tratando de lograr una convergencia aceptable. Se describir cada mallado
Malla 1
Como malla 1, se utiliz la herramienta de mallado automtico del Ansys, obteniendo
exactamente la misma malla 1 del estado de carga 1, con un mallado uniforme en todo el
ensamble. Esto con el fin de ver el comportamiento del marco ante la carga y determinar
puntos de inters para los siguientes mallados.
Malla 2
Para esta malla se us el mismo sizing para todo el ensamble, modificando nicamente el
tamao de los elementos, con un mnimo de 5 y un mximo de 7. Se obtuvo una malla casi
idntica a la malla 2 del estado de carga 1.
20
Malla 3
En este mallado se modific el parmetro de relevancia de la malla, elevndolo a 100. El
resto de parmetros se dejaron igual a la malla 2.
La estrategia de mallado fue muy similar a la de la malla 3 para el estado de carga 1. La
diferencia es que en este caso se aplic un tamao de malla de 3 mm para la superficie
mostrada en la imagen, zona de inters para el estado de carga actual.
Fig.14 Zona de aplicacin de mesh sizing (Malla 3, estado de carga 2)
Malla 4
Para la malla 4, se modific el proximity min size, dejndolo en 4 mm. Tambin se cambi
el tamao de elemento de la parte mostrada en la malla anterior, disminuyndolo a 2 mm.
En la siguiente tabla se muestran los principales tems de la malla 4.
21
3.2.3 Anlisis de Convergencia
Se sigui el mismo procedimiento que en el estado de carga anterior para el anlisis de
convergencia.
El anlisis de convergencia finaliz con la cuarta simulacin, en el cual el valor del esfuerzo
present una variacin de 13,95% respecto a la simulacin anterior. En este caso, se
acept una variacin mayor al 10%, ya que de acuerdo a los resultados obtenidos, el estado
de carga crtico es el 1, con esfuerzos mximos en puntos similares al estado de carga 2.
Otro factor que influy en esta decisin fue que se consider que el nmero de elementos
de la malla 4 es elevado, y un refinamiento en la malla conllevara un costo computacional
alto en comparacin al aumento potencial en la precisin de los resultados, que por las
razones expuestas anteriormente seran de menor relevancia que los obtenidos en el
estado de carga 1.
En la siguiente tabla se muestran los resultados para las 4 simulaciones.
Malla Nmero de
elementos
Calidad Promedio
de los elementos
Deformacin
mxima (mm)
Esfuerzo Mximo de Von
Mises (Mpa)
Factor de Seguridad
Mnimo
Variacin del
Esfuerzo Mximo (%)
1 58447 0,777 6,18 117,04 2.358 -NA-
2 85064 0,816 6,17 151,97 1,816 29,8
3 120405 0,812 6,20 215,69 1,2796 29,54
4 284840 0,831 6,21 250,66 1,1011 13,95
22
4. ANLISIS DE RESULTADOS
De los anlisis de previamente desarrollados, se determin que la bicicleta falla bajo las
condiciones del primer estado de carga. Los resultados muestran como en la zona del
soporte ubicada en el orificio para sostener la rueda trasera, existen fragmentos de material
con un factor de seguridad inferior a 1, por lo cual fue necesario modificar el diseo en esta
zona, ya que se deseaba conservar el material de construccin debido a sus caractersticas
ptimas de peso y maquinabilidad, deseables en el producto final.
Se modificaron las partes trasera y delantera del marco eliminando los agujeros que
funcionaban como concentradores de esfuerzos. Para ello, fue necesario modificar el
sistema de sujecin de las ruedas de la bicicleta, cambindolo por el propio de las bicicletas
tipo lefty. Este en lugar de un agujero, tiene un brazo macizo en el cual encajan las
manzanas tipo lefty. Con esta modificacin, se refuerza la parte trasera del marco y se
adapta el marco correctamente a la aplicacin deseada.
117,04
151,97
215,69
250,66
0
50
100
150
200
250
300
58447 85064 120405 284840
Es
fue
rzo
M
xim
o (
Mp
a)
Nmero de Elementos
Anlisis de ConvergenciaSegundo estado de carga
23
Fig.15 Modificacin del soporte de la rueda trasera
Se realiz una simulacin del estado de carga 1 para la geometra modificada del marco,
con una malla de mayor calidad a las definitivas en anlisis previos, para brindar un marco
de comparacin vlido a los resultados entre simulaciones.
En la verificacin del factor de seguridad, se observa como la modificacin a la geometra
subi el factor de seguridad en la zona crtica, dejndolo por encima de 1.
24
Fig.16 Factor de seguridad con geometra modificada
De esta manera, podemos confirmar que el rediseo fue exitoso para los estados de carga
simulados. Sin embargo, es necesario aclarar que estos estados de carga se basaron en
operacin normal, sin tener en cuenta posibles impactos de la bicicleta contra el suelo
durante su operacin (saltos) y que generan cargas mayores a las fuerzas simuladas.
Por lo tanto, se har una restriccin al peso mximo que debe llevar la bicicleta, con el fin
de determinar un margen de seguridad mayor para el usuario. Como decisin del equipo
de diseo, teniendo como marco de referencia el equivalente de 240 kilos en el estado de
carga 1 simulado, se decidi que el peso mximo recomendado ser de 110 Kg.
Con la estructura bsica del marco definida, se procede al diseo de articulaciones,
componentes esenciales del mecanismo de plegado.
5. DISEO DE ARTICULACIONES
Las piezas del marco requieren de conectores que las mantengan ensambladas. Para ello,
se disearon cuatro articulaciones: la unin de las piezas 2 y 3, la de las piezas 1 y 2 y las
2 articulaciones del manubrio.
5.1 Articulacin 1 y 2
Para esta articulacin, se requiere un mecanismo que permita ajustar dos tubos
concntricos en posiciones fijas. Durante el diseo, se us como inspiracin el mecanismo
de ajuste de algunos modelos de muletas, que consta de resortes que empujan pines hacia
afuera en agujeros hechos en las posiciones deseadas, creando un bloqueo al
deslizamiento entre los tubos.
25
Fig.18 Mecanismo utilizado en muletas.
Para el diseo de los pines, se asumir que el esfuerzo al que estn sometidos es cortante
puro, debido al efecto fsico que tiene la tendencia al deslizamiento sobre el pin. Para
determinar el estimado de la fuerza cortante, se utiliz como referencia el estado de cargas
obtenido por Lessard, Nemes y Lizotte (1995) [4], para un marco de bicicleta durante un
sprint intenso.
Fig.19 Estado de carga de referencia.
Con estas fuerzas como referencia, supondremos que en algn momento crtico el pin
estar sometido a una fuerza cortante total de 2000 N. Haremos el clculo del dimetro
mnimo del pin, fabricndolo con aluminio 6061 (resistencia mxima a la cortante: 207 Mpa
[5]). Tenemos que:
26
=
=2000
(207)(10)6= 9.66 (10)6 2
Para tener esta rea
= 22000
(207)(10)6= 3.5
As, determinamos que el dimetro mnimo de un solo pin para resistir la cortante es de 3.5
mm.
Fig.20 Articulacin entre piezas 1 y 2.
5.2 Articulacin 2 y 3
Para estas dos piezas, se usar un sistema similar de pasadorresorte, con la diferencia
de que en este caso el resorte se accionar desde el exterior de la bicicleta. Como material
de este pasador se usar acero AISI 1040, con una resistencia mxima a la cortante de
aproximadamente 393 Mpa [6]. Se usar un pin de 6 mm de dimetro. Procederemos a
calcular la fuerza cortante mxima soportada por este pin.
= 393(10)6()(0.003)2 = 11111.8
Esta fuerza se considera muy superior a cualquier condicin normal de uso, como se puede
apreciar en los estados de carga experimentales consultados anteriormente, por lo que se
considera que el pin seleccionado cumplir con su funcin correctamente.
27
Fig.21 Articulacin entre piezas 2 y 3.
5.3 Articulaciones del manubrio
El manubrio consta de dos articulaciones: una para plegar el eje central y otra para permitir
al manubrio girar en torno al eje central. Para la primera articulacin se us un sistema tipo
bisagra convencional.
Fig.22 Articulacin tipo bisagra del manubrio
La segunda articulacin permite al manubrio girar con libertad en torno al eje central, con el
fin de proporcionar un plegado final ms compacto. Para esta funcin se adaptaron
mordazas para bicicletas comerciales, que desaseguran el manubrio cuando este se pliega.
28
Fig.23 Segunda articulacin del manubrio
6. SELECCIN DE COMPONENTES
Una vez finalizado el marco, se procede a hacer una seleccin de los diferentes
componentes comerciales a utilizar en el diseo final. Estos elementos se eligen teniendo
en cuenta los parmetros geomtricos y las caractersticas estticas deseadas en el
producto final.
6.1 Frenos
En la seleccin de el tipo de sistema de frenos para la bicicleta se tuvieron en cuenta las
caractersticas del marco, cuyo diseo plantea que las ruedas sean sostenidas por un solo
lado. Esta caracterstica impide la instalacin de sistemas de frenos convencionales de
llanta como los cantilever o de pinza, ya que estos requieren de sosten en dos puntos. Por
lo tanto, se opt por frenos de disco mecnicos, que son comerciales, no requieren
modificacin y presentan una alta potencia de frenado y prolongada vida util.
Los sistemas frenos de disco constan de diversas partes disponibles comercialmente. Para
la implementacin en la bicicleta , se selecciona el Vktech Disc Brake Set, que contiene
las siguientes partes:
2 Discos de Frenado
2 Pinzas para freno de disco
2 Palancas de frenado
Cable para freno
29
Caractersticas del producto:
Material Aluminio
Ajuste Ajuste por alcance de palanca de freno, disco mecnico
Dimetro de disco 160 mm
Precio 38 USD/ 90000 COP
Fig.24 . Vktech Brake set
6.2 Neumticos
Como se expuso anteriormente, las se escogieron llantas de 16 pulgadas de dimetro, la
dimensin ms comn en bicicletas plegables, debido a la buena relacin tamao /
resistencia al avance. Se selecciona un neumtico Kenda K909A Smooth Wire Bead,
fabricado por Michelin . Este neumtico es liso, apropiado para el uso en reas urbanas,
con un acabado ideal para la bicicleta diseada. El costo es de 26 dlares
(aproximadamente 62400 COP) para el par de neumticos.
Fig.25. Kenda K909A, Neumtico de 16 pulgadas.
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6.3 Silln y Mangos
Se busc que el silln y los mangos tuvieran una apariencia acorde a la lnea de diseo de
la bicicleta. El silln escogido fue el MTB GW, fabricado por la empresa colombiana GW. En
la siguiente imagen se muestran algunas de sus caractersticas:
El tubo del silln ser un tubo de aluminio 6061- T6, de la referencia TC0979, fabricado por
la marca local alumina. Este tiene un espesor de pared de 4 mm y un dimetro de 22.2 mm.
Los mangos para el manubrio de la bicicleta son GW, de la referencia Lock On:
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6.4 Conjunto Plato - Biela
Originalmente se decidi utilizar una transmisin estndar sin cambios, debido a las
caractersticas de uso urbano de la bicicleta. Sin embargo, debido a las caractersticas
geogrficas de la ciudad, se decidi crear las dos alternativas, una lnea con cambios y otra
sin cambios. Para la transmisin sin cambios se escogi un sistema plato-biela Retrospec
de las siguientes caractersticas
Material Aluminio
Longitud de la Biela 165 mm
BCD (Bolt Circle Diameter) 151 mm
Precio 30 USD/ 69000 COP
Fig.26. Conjunto Plato- Biela Retrospec.
En el caso de la transmisin con cambios, el conjunto elegido es un Shimano Altus FC-
M311 7/8 Speed Crankset con las siguientes caractersticas.
Material Aluminio
Longitud de la Biela 170 mm
Relacin de engranajes 42-222-2
Precio 35 USD/ 80500 COP
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Fig.27. Conjunto Plato-biela Shimano Atlus.
Para la versin con cambios, se utiliza el tensor Shimano Altus 7/8-speed RD-M310,
compatible con el conjunto plato-biela descrito anteriormente.
Fig.28. Tensor Shimano Atlus.
6.5 Cadena
Las cadenas a utilizar son cadenas comunes KMC Z410, en sus dos versiones de
transmisin de una y mltiples velocidades. Estas cadenas tienen un costo de
aproximadamente 18000 pesos
Fig.29. Cadena KMC Z410, (modelo de una velocidad).
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6.6 Manzanas
Se usarn manzanas lefty IS de la marca Cannondale. Estas son especiales para el tipo
de sujecin usado en el diseo implementado.
Fig.30. Manzana Lefty IS Cannondale
6.7 Pedales
Se buscan pedales abatibles, apropiados para bicicletas plegables. El pedal seleccionado
fue el Eleven81 Folding 9/16" Pedal Aly/Resin, de la marca Eleven81. Su tamao de 9/ 16
pulgadas, y el peso de 426 gramos por par, la hacen una buena alternativa para nuestro
diseo. El precio es de 15 dlares por par (aproximadamente 34500 COP).
Fig.29 . Folding 9/16 de Eleven81.
6.8 Manubrio y espiga
El manubrio escogido es de la marca Race Face, referencia Riser. Este tiene un ancho de
660 mm y un elevacin de de pulgada, especial para bicicletas de BMX.
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Fig.30 . Manubrio Race Face Riser.
Para la espiga se opt por una del modelo Origin8 Pro Fit Ergo Stem, fabricada en la
aleacin aluminio 6061 T6
Fig.31 . Origin8 Pro Fit Ergo stem.
7 . Apartado Comercial
El producto diseado representa una nueva alternativa en el creciente del transporte
alternativo. Por lo tanto, se har una breve descripcin de la componente comercial
pensada para el diseo desarrollado, donde se determinan variables como los clientes
objetivo y las estrategias de introduccin al mercado de la bicicleta.
7.1 Identidad del producto
El logo del producto har referencia a la sensacin de libertad y salud que brinda
desprenderse del catico trfico de las ciudades a hora pico. Estas cualidades se
englobarn en el trmino Fluidez, que ser la parte central de la identidad del producto, en
torno a lo cual se generar una imagen.
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A continuacin se muestran dos logos ya existentes [7], que son una muestra de la esttica
que se busca transmitir al cliente (no la imagen de la empresa). En nuestro producto, la
fluidez y la vida urbana convergen para brindar una experiencia que mejora la calidad de
vida
7.1 Nicho de Mercado
La bicicleta es un producto dirigido a personas de ambos sexos, de los 17 a los 60 aos,
de los estratos 3 al 6 situadas en zonas urbanas y suburbanas de Colombia, que buscan
una alternativa a los evidentes problemas de movilidad y contaminacin que sufren las
ciudades densamente pobladas a causa del uso de los medios de transporte privados
alimentados por hidrocarburos.
Nuestros clientes son personas conscientes de la importancia del cuidado del medio
ambiente y de la salud personal. Son personas activas, que desean ser parte de la
solucin y no del grave problema que deteriora la calidad de vida en las ciudades. Este
grupo de personas da prioridad al bienestar colectivo, y creen en el transporte pblico y la
bicicleta como medios poderosos de transformacin urbanstica.
7.2 Introduccin al mercado
El producto tendr una campaa de promocin por medio de varios medios, enfocados
principalmente en internet: redes sociales y publicidad en diversos sitios de noticias, salud
y tecnologa. Esta eleccin se toma debido al conocimiento que tienen los clientes
modernos del mundo digital y su capacidad para identificar opciones novedosas, que salgan
del estndar comn impuesto en medios como la televisin y la radio. Tambin se buscar
la presencia fsica por medio de vallas en la calle y anuncio en los sistemas de transporte
masivo y gimnasios de la ciudad.
La bicicleta tendr un precio de lanzamiento al mercado de alrededor de 1,200.000 pesos,
brindndole al cliente la posibilidad de escoger entre varias opciones de color y
enfocndose en un servicio posventa del ms alto nivel, con un servicio de garantas
responsable y eficiente.
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Fig.32. Algunos modelos de colores potenciales para el producto.
Fig.33. Bicicleta en su posicin plegada.
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Fig.33. Bicicleta en su posicin de uso.
8. Bibliografa
[1] http://www.ebicycles.com/custom/content_files/ebicycles-bicycle-sizing-chart-mountain-
bikes.pdf
[2] http://www.etrto.org/files/files/INDEX_2014/sm_05_mc.pdf
[3] Derek Covill, Steven Begg. Parametric finite element analysis of bicycle frame geometries . The 2014 conference of the International Sports Engineering Association.
School of Computing, Engineering and Mathematics, University of Brighton.
[4] Larry B. Lesard, James A. Nemes, Patrick L. Lizotte. Utilization of FEA in the design of composite bicycle frames. Composites, Volumen 26 (1995). Mechanical Engineering Department, McGill University. [5] http://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=MA6061t6
[6] http://www.roymech.co.uk/Useful_Tables/Matter/shear_tensile.htm
[7] http://bpando.org/2011/07/05/logo-fluid-money/
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