Construcción y validación estructural del Vehículo de

Construcción y validación estructural del Vehículo de Tracción Humana 2013 de la Universidad de los Andes

DOCUMENTO DE PROYECTO DE GRADO

Daniel Armando de Mulder Miery

Estudiante de Ingeniería Mecánica

Asesor: Luis Mario Mateus

Ingeniero Mecánico. M.Sc.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Bogotá, Colombia, Mayo de 2013

Índice

1. Resumen--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 1.1 Introducción ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.2 Objetivos ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 1.3 Restricciones ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 2

2. Diseño ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 2.1 Innovación en el diseño ---------------------------------------------------------------------------------------------- 2

3. Subsistemas ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 3.1 dirección y estabilidad ------------------------------------------------------------------------------------------------ 4 3.2 Transmisión ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

3.3 Frenos --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 3.4 Sistema de almacenamiento energético ------------------------------------------------------------------------- 5 3.5 Asiento y ergonomía -------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 3.6 Sistema de seguridad ------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 3.7 Aerodinámica ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7

4. Análisis estructural -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 5. Manufactura del Vehículo ----------------------------------------------------------------------------------------------- 9

5.1 Cotizaciones ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 5.2 Tiempos de procesos---------------------------------------------------------------------------------------------------9 5.3 Problemas encontrados------------------------------------------------------------------------------------------------9

6. Pruebas de validación de diseño--------------------------------------------------------------------------------------10 7. Pasos siguientes---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10

8. Conclusión ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------11 9. Referencias -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------12 10. Anexos

Anexo 1, Dirección y estabilidad Anexo 2, Transmisión Anexo 3, Frenos Anexo 4, Sistema de almacenamiento energético Anexo 5, Sistema de seguridad Anexo 6, Aerodinámica Anexo 7, Análisis estructural Anexo 8, Imágenes construcción Anexo 9, Diseño de experimentos Anexo 10, Pasos siguientes

11. Planos del vehículo

Construcción del VTH 2013 Universidad de los Andes Mayo de 2013

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1. RESUMEN

Durante el primer semestre de 2012 se evaluaron diferentes diseños existentes de vehículos de tracción humana para generar un diseño de un vehículo propio de la Universidad de los Andes para su participación en el concurso de la ASME Human Powered Vehicle Challenge (HPVC) 2013. El diseño desarrollado buscó minimizar las fuerzas de arrastre aerodinámicas, un fácil manejo del vehículo y una forma modular que facilite su construcción y transporte. Además siempre teniendo presente como minimizar el peso sin comprometer la integridad estructural del vehículo. En este trabajo se construyó un vehículo siguiendo el diseño realizado en el segundo semestre de 2012, este vehículo se probó dinámica y estructuralmente para validar el diseño.

1.1 Introducción

Desde hace tres años la Universidad de los Andes ha participado en la competencia HPVC (Human Powered Vehicule Challenge) organizada por la ASME (American Society of Mechanical Engineers). La competencia tiene varias pruebas: velocidad, duración (resistencia), y la innovación en diseño. Las tres partes de la competencia se pueden integrar en un solo objetivo, obtener la mayor velocidad de punta que pueda desarrollar el vehículo. Este objetivo requiere una innovación en la aerodinámica y en el sistema motriz del vehículo. Desde hace varios años diferentes personas han realizado modificaciones a sus bicicletas creando la versión recumbent, este tipo de bicicleta cambia la posición del conductor disminuyendo significativamente el arrastre aerodinámico del vehículo. Además a las bicicletas recumbent se les agrega un carenaje que disminuye considerablemente las fuerzas de arrastre aerodinámico. Con estas modificaciones se logró el record mundial de velocidad en un vehículo de tracción humana (VTH)(133.8 km/h logrado por Sam Wittingham). Considerando lo anterior, el objetivo de este trabajo es el diseño y construcción de un VTH para la competencia. Pero con cambios muy importantes respecto a las versiones anteriores realizadas en la universidad. Los vehículos que compitieron en los años pasados fueron de 3 ruedas, y este es de 2, además este vehículo contempla el problema del transporte al lugar de la competencia, al que se han enfrentado los equipos que participaron en los años pasados. Por este motivo este vehículo se ha pensado la forma en la que se desarma y empaca para reducir los costos de transporte y el tiempo de armado, facilitando el uso del mismo en diferentes circunstancias.

1.2 Objetivo principal El diseño y construcción de un vehículo de tracción humana de dos ruedas que permita ser desensamblado para facilidad en el transporte.

Objetivos específicos

- Investigación antropométrica, potencia pico y promedio entregada por un ser humano, y los diferentes tipos de VTH´s existentes.


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- Realizar distintas simulaciones que representen el estado de cargas en el vehículo que permitan retroalimentar el diseño hasta tener un diseño robusto y liviano.

- Realizar modelos analíticos que permitan evaluar la viabilidad del los objetivos escogidos.

- Investigar la posibilidad de usar un dispositivo de acumulación de energía.

- Implementar métodos de manufactura para la construcción

- Realizar pruebas estructurales no destructivas

- Realizar pruebas dinámicas

- Proponer cambios en el diseño en pro de su optimización

1.3 Restricciones

Las restricciones de diseño provienen de las reglas de la competencia del 2013, de la asociación de carreras de vehículos de tracción humana (Human Powered Racing Association, HPRA) y las definidas por la Universidad de los Andes, estas restricciones se presentan en la siguiente tabla:

Reglas HPVC 2013 ASME HPRA Universidad de los Andes Radio de giro menor a 8m (26ft) Tener retrovisores Vehículo con facilidad de

transporte (facilidad de desensamble y ensamble)

Frenado de 25 kph-0 kph menor a 6 m

Sistema de frenos independiente y redundante

Peso menor a 20 kg

Demostrar estabilidad al manejarse en línea recta a una velocidad entre 5 y 8 kph

2 ruedas

Barra antivuelco en capacidad de soportar carga superior de 2.67 kN, y 1.3 kN de carga lateral. Además usar cinturón de seguridad.

Uso de un carenaje aerodinámico

Tabla 1. Restricciones y especificaciones de diseño.

2. DISEÑO

Por medio de un trabajo arduo de investigación se filtraron los miles de diseños existentes de vehículos de tracción humana. En ellos se destacan una serie de características determinantes en su desempeño. Dichas características combinadas con las restricciones de diseño y las recomendaciones ergonómicas, generaron una serie de propuestas del diseño.

Las propuestas se evaluaron y analizaron estructuralmente en tres estados de carga en ANSYS (Static Structural Module). Luego se evaluó la forma en la que la transmisión funciona en cada una, el funcionamiento de la dirección, la facilidad de manufactura, la forma en la que se ensambla el diseño y un tamaño aproximado de caja en la que se podría transportar el vehículo.


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Después de considerar estos parámetros funcionales y otros parámetros estéticos se escogió un diseño, el presentado en la figura 1.

Este diseño, es de tracción y dirección en la rueda delantera, transmisión en dos pasos, posición ergonómica y con poca área frontal proyectada. Este fue el fruto del proceso de diseño, fue el modelo que combinaba de manera más efectiva y simple las características deseadas en el vehículo.

Figura 1. Diseño seleccionado Figura 2. Diseño desarmado, almacenado . de forma compacta

Adicionalmente el diseño tiene una forma modular que permite un fácil desensamble y compacto almacenamiento (Figura 2). Esta característica de plegarse es de gran utilidad e importancia pues reduce costos de transporte al lograr acomodar todo el vehículo en un empaque cómodo y pequeño que perfectamente ser puede llevado como una maleta de viaje en un vuelo comercial.

El diseño del chasis contempla el uso de un carenaje aerodinámico con el fin de reducir las fuerzas de arrastre a las que se somete el vehículo al desplazarse a altas velocidades. El desarrollo de este carenaje aerodinámico será realizado otro proyecto de grado debido a la alta complejidad que tiene el desarrollo del mismo, por este motivo en este proyecto no se realizó un análisis detallado de la aerodinámica, se realizó una valoración de la importancia que tiene en la velocidad máxima.

El chasis cuenta con unas extensiones las cuales tienen dos funciones, la primera es proteger al piloto en caso de una caída y la segunda es dar apoyo a carenado al brindarle puntos de sujeción. Adicionalmente, brinda un punto de apoyo al asiento y al manillar. Por estas características multifuncionales permiten reducir peso y simplificar el diseño de modo que la manufactura sea más fácil.

2.1 Innovación en el diseño

El diseño innova en varios campos:

- Es el primer VTH de 2 ruedas que se diseña en la Universidad de los Andes. - El primero que planea tener un carenado aerodinámico sobre todo el vehículo para reducir el

arrastre. - El diseño es plegable y esa característica le permite concursar por el premio en innovación

tecnológica de la competencia y reducir costos de transporte - También es el diseño más liviano que construido en la universidad.


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- Tiene una cómoda posición de manejo la cual optimiza la entrega de potencia humana al sistema de transmisión.

- El sistema de transmisión es una forma ingeniosa de utilización de los componentes comerciales para lograr altas velocidades con ruedas pequeñas.

3. SUBSISTEMAS DEL VEHÍCULO Y SU IMPORTANCIA

Los subsistemas son parte fundamental del diseño, estos ensambles son los que determinan el comportamiento dinámico del vehículo, entre otras características de confiabilidad.

o Sistema de dirección o Sistema de Transmisión o Sistema de frenos o Sistema de Almacenamiento energético o Asiento y ergonomía o Sistema de seguridad o Aerodinámica

3.1 Sistema de dirección

La dirección está basada en un diseño de bicicleta tipo recumbent, la PYTHON, esta bicicleta recumbent fue diseñada en 1996 en Alemania por Jürgen (web máster de URL: http://www.python-lowracer.de). La dirección es accionada por las piernas y cadera. La dirección tiene un retorno al punto neutro facilitando el manejo a altas velocidades, debido a un ángulo específico que tiene el eje de dirección respecto a la vertical.

Por el ángulo y la geometría del sistema, este VTH desplaza su centro de gravedad al dar dirección, este desplazamiento permite darle estabilidad a bajas velocidades. Incluso en completo reposo el piloto podría mantener el equilibrio en un rango de ±10° respecto a la vertical solo con el movimiento de la dirección. (Cálculos Anexo 1 Dirección y estabilidad).

También se calculó una superficie “estable” en la cual se halla la velocidad tangencial para diferentes ángulos de giro y de inclinación respecto a la vertical. Por medio de esta superficie, se puede entender el concepto de estabilidad de un vehículo de dos ruedas al realizar curvas a diferentes velocidades y ángulos de inclinación tal como se observa en la gráfica 1. En la gráfica se tiene el valor de velocidad para un cierto ángulo de giro y un ángulo de inclinación respecto al eje vertical. Es decir que el gráfico muestra una superficie estable en la que el vehículo gira y se inclina con cierto ángulo a una velocidad, lo que se interpreta como la velocidad mínima en la que el vehículo logra estabilidad el estar inclinado.

Con este análisis se concluyó que el vehículo cumple las condiciones de estabilidad y de radio de giro. Puede desplazarse de manera estable a 1.3 km/h y el radio de giro más pequeño del vehículo es de 2.8 m.

http://www.python-lowracer.de/


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Gráfica 1. Velocidad tangencial al giro en función del ángulo de inclinación y del ángulo de giro.

3.2 Sistema de transmisión

La transmisión es un subsistema de gran importancia en el VTH, este busca gran eficiencia mecánica, bajo peso y una amplia gama de relaciones. Por ello se diseñó una transmisión en dos pasos con 30 relaciones posibles, cadenas cortas, y que use elementos comerciales (componentes de bicicleta).

Figura 3, Imagen esquemática del sistema de transmisión en dos partes


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La transmisión se calculó estructural y dinámicamente de tal manera que permitiera tener las relaciones existentes en una bicicleta comercial y simultáneamente relaciones de alta velocidad que le permitan al piloto mantener su cadencia pero desplazarse a una velocidad hipotética de 140 km/h como máximo. (Cálculos Anexo 2 Transmisión). Debido a la gran cantidad de relaciones que ofrece el sistema, este se analizó y se definió la mejor manera de realizar las combinaciones de cambios reduciendo el número a cambios a 10, con los cuales se logra el desempeño deseado escalando de velocidad de forma progresiva y sin repetir relaciones o perder tiempo con cambios innecesarios. Los primeros 4 son los cambios que se encuentran en una bicicleta normal y los últimos 6 cambios ofrecen alta velocidad. (Gráfico 2, para más detalles sobre la nomenclatura de cada relación ver el anexo 2).

Gráfico 2. Rango de utilidad de cada cambio en función de la velocidad en la rueda.

Con el análisis sobre el sistema de transmisión se concluye que es estructural, económica y funcionalmente viable el uso del sistema planteado. Además, logra una transmisión liviana y robusta con capacidad de enfrentarse a altas cargas, y proveyendo un alto y amplio desempeño.

3.3 Sistema de frenos

El sistema de frenos seleccionado es un sistema independiente de frenado, es decir que la rueda delantera puede frenar de manera independiente a la trasera, esto le da libertad al piloto en la manera de aplicar los frenos y así tener mayor control del vehículo en diferentes maniobras.

Los componentes de frenado son componentes comerciales de bicicleta: discos, mordazas, maniguetas y guayas hacen parte de estos componentes. Los componentes se analizaron y los frenos convencionales de zapata cumplen con la condición de frenado impuesta por la restricciones, por lo que se sobre entiende que los frenos de disco y otros frenos disponibles comercialmente también cumplen.

El análisis del sistema de frenado se calculó de forma dinámica de tal manera que se pueda garantizar la distancia de frenado exigida por la competencia. Considerando un freno normal de bicicleta (de zapata) como el peor freno que puede usarse y sobre esa base cualquier freno de mejor calidad cumple la condición de frenado. (Anexo 3 Frenos)

En el cálculo realizado para los frenos se encontró que la fuerza que debe ejercer el piloto sobre los frenos para cumplir la condición de frenado es de 10 kg, cifra que es fácil de lograr con un par de dedos. A la hora de evaluar otro tipo de frenos se debe considerar que si el freno es muy efectivo y la fuerza en la manigueta


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es muy baja esto puede llevar al bloqueo de la rueda que dependiendo de la pericia del piloto puede resultar o no en una caída.

En el momento de la compra de los freno se sugiere comprar el freno de zapata por su bajo peso y que permite cumplir con la condición de frenado. Sin embargo la efectividad a mayor velocidad que en teoría es la misma, puede verse afectada por el desgaste de la zapata del freno, por ello debe realizar una prueba en la que se pruebe el desgaste del freno a mayor velocidad.

3.4 Sistema de almacenamiento energético

El sistema analizado usó un volante como medio de almacenamiento energético, sin embargo tras realizar varios cálculos el uso de un volante comprometía el desempeño general del vehículo, agregando un peso muerto y complicando el manejo del vehículo al agregar una variable más que el piloto debe controlar.

Por medio de los cálculos realizados, el uso del volante tiene varios inconvenientes, en un caso el peso del volante, otro caso el peso y complejidad del sistema de transmisión adicional y finalmente en un modelo dinámico mostró que el sistema es ineficiente y aporta muy poca energía a la rueda, en consecuencia no altera de manera positiva el desempeño general del vehículo. (Anexo 4 Sistema de almacenamiento)

3.5 Asiento y ergonomía

La ergonomía del vehículo es de gran importancia, con el fin de garantizar una buena transmisión de potencia a los pedales, se realizo una investigación en la que se hallaron los ángulos óptimos para la transmisión de potencia en las piernas, la postura ideal para obtener un buen desempeño cardiovascular y resultados de pruebas de potencia diferentes personas. (Bicycle Science)

La antropometría es fundamental para el diseño del vehículo pues dimensiona a los pilotos de manera estadística, es decir que facilita crear una geometría y posición del piloto de tal manera que el diseño garantice que una gran porción de la población lo pueda utilizar, para esto se utilizó el estudio realizado por Julius Panero y Martin Zelnik publicado en su libro Las dimensiones humanas en espacios interiores.

Considerando la posición y las medidas del piloto se generó un espacio con el ángulo ideal de espalda y piernas para ubicar el asiento. Las dimensiones del asiento por el momento solo se han limitado al ancho del mismo, pues el apoyo lumbar es muy importante en la ergonomía y en la irrigación sanguínea de las piernas, por lo que cada piloto deberá usar un pequeño cojín como apoyo lumbar, y de esta manera se tendrá una posición optimizada para cada piloto.

Figura 4, Esquema de la posición del piloto ergonómicamente correcta


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El asiento se fabricó con tres tubos de espuma, los cuales permiten al piloto transpirar y refrigerarse adecuadamente. Estos no comprometen la comodidad del piloto, ni la efectividad en la transmisión de potencia. Por la actividad física que realiza el piloto este genera fluidos y temperatura, que el asiento debe estar en capacidad de evacuar y disipar. Esto tiene fuertes consecuencias en el desempeño del piloto, mayor temperatura corporal genera un mayor deshidratación y la deshidratación disminuye la capacidad motriz del piloto, es decir que, gracias a este diseño los piloto tendrán un mejor desempeño en la competencia.

3.6 Sistema de seguridad

La barra antivuelco o el sistema de seguridad obligatorio por la competencia, debe cumplir las condiciones enunciadas por la tabla 1 (restricciones de diseño). En este diseño se implementó una barra antivuelco tipo “slider”, es decir que no es una barra antivuelco integral sino que tiene una serie de puntos de apoyo los cuales impiden que el piloto tenga contacto con el suelo en caso de un accidente. La barra antivuelco se analizó por métodos numéricos usando ANSYS, y se observó que los esfuerzos son normales y perfectamente pueden ser sobrellevados por varias aleaciones de aluminio. Este campo estructural se analiza con más detalle en la sección de análisis estructural y el Anexo 5 y el 7.

Sin embargo el sistema de seguridad también incluye un cinturón de seguridad, pero por simplicidad y tranquilidad el cinturón de seguridad que se utilizará es un cinturón comercial con certificación.

3.7 Aerodinámica

En el diseño se contempla el uso de un carenaje aerodinámico, sin embargo se evaluó la conveniencia de usar un carenaje, por ello el análisis realizado fue para corroborar la importancia de la aerodinámica en el vehículo.

Entre los cálculos realizados, se halló la potencia que consume la fuerza de arrastre a diferentes velocidades, y en consecuencia la velocidad máxima esperada para diferentes coeficientes de arrastre. Este primer análisis indicó que un carenado es vital para lograr el desempeño esperado. También se realizó una simulación muy sencilla sobre el vehículo carenado y parcialmente carenado en la que se observa la importancia un carenado completo en contraste a medio carenado. Con los datos obtenidos de estos cálculos, se investigó en la literatura la viabilidad de lograr el coeficiente de arrastre aerodinámico para la velocidad que se espera logre el vehículo, y se encontró que un coeficiente de esta magnitud fue logrado en 1978, es decir que con la herramientas y técnicas de manufactura de hoy es completamente viable la construcción de un carenado que tenga las características especificadas en este trabajo.

4. ANÁLISIS ESTRUCTURAL

Para el análisis estructural, se utilizó el software de simulación por elementos finitos ANSYS. Con este software se realizaron varias iteraciones para eliminar los concentradores de esfuerzo en los diferentes estados de carga.

Los estado de carga simulados fueron: carga vertical de 1.2 kN carga sobre el sistema de seguridad y fuerza de pedaleo. Con estos casos se evalúan situaciones críticas en la cuales se exageran la condiciones de operación y permiten predecir todas las otras posibles condiciones de carga a las cuales se someta el vehículo al estar en funcionamiento.


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Los resultados de estas simulaciones fueron muy satisfactorios como se muestran en el Anexo 7. En resumen, los esfuerzos más altos están en el orden de los 45 MPa con elongaciones menores a 5 mm, es decir que se tiene un chasís muy rígido, de bajo peso y con una buena integridad estructural.

El material usado en la simulación corresponde a aleación de aluminio, lo que permitió encontrar las elongaciones y también definir las series 2000, 3000, 4000 y 7000 aptas para ser el material del vehículo. Con esta información se investigó en el mercado nacional cuales eran las aleaciones aptas para asumir las cargas, el material usado fue Aluminio 6063-T5.

5. Manufactura

La manufactura del vehículo involucra varios procesos, deformación plástica, maquinado y soldadura. Por medio del doblado de tubo se busca generar la geometría del chasís y de otras partes del vehículo, sin embargo la creación de estas partes es de poca complejidad, pero la unión de los tubos entre sí requiere de un maquinado cuidadoso. Este maquinado consiste en generar corte para que los tubos empaten de manera “perfecta” y la soldadura entre ellos tenga una buena superficie de contacto.

La manufactura de varios subsistemas no es necesaria pues son componentes comerciales por lo cual estos se ensamblarán en el vehículo, como por ejemplo el sistema de transmisión, frenos, seguridad, y asiento.

5.1 Cotizaciones

Una vez se terminaron los planos del vehículo, se realizaron algunas cotizaciones para tener una idea el costo aproximado que tiene la construcción de un vehículo de este tipo:

Componente Valor Aproximado Rueda trasera 110 000 Rueda delantera 60 000 Pachas 50 000 Tensores 50 000 Frenos 40 000 Maniguetas 25 000 Mandos para cambios 100 000 Platos 40 000 Pedales 60 000 Tubería de aluminio 500 000 Dobleces, rolado y cortes 400 000 Soldadura (2 días) 1 000 000 Otros materiales para el montaje de soldadura 300 000 Carenado 1 500 000 TOTAL Aproximado 3 835 000 Tabla 2. Valores aproximados de los componentes

5.2 Tiempos Manufactura

Después de haber realizado las cotizaciones se realizaron las compras y se inició la manufactura del vehículo. En este trabajo se usaron varios procesos los cuales tomaron los siguientes tiempos:

Doblado 30 minutos Corte 60 minutos


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Mecanizado en CNC 8 horas Mecanizado en Fresa 16 horas Soldadura 20 horas

Tiempo de procesos 45 horas y 30 minutos Tabla 3. Tiempo de manufactura

Realizados los diferentes procesos se obtuvieron los diferentes componentes no estándar del vehículo. Con ellos se inició el ensamblado del vehículo, este proceso tomo un tiempo aproximado de 8 horas. Al sumar todos los tiempos necesarios se puede decir que el vehículo puede estar listo tentativamente en 7 días de trabajo (8 horas cada día) continuo y con todos los componentes del vehiculó disponibles.

5.3 Problemas encontrados

Durante la manufactura se encontraron diferentes inconvenientes, en su mayoría los problemas fueron sencillos y de rápida solución. La mayoría de estos problemas se debieron a la sujeción de las diferentes partes que se debían soldar. Esta sujeción dificultó mucho la precisión en el las soldaduras en lo correspondiente a la geometría de los elementos por lo que el tiempo de soldadura fue muy extenso.

Debido al tamaño del bastidor se dificulto bastante su montaje en la fresa, sin embargo después de acomodar las diferentes partes de la fresa se logró realizar los abocardados en el mismo.

Durante el ensamblaje del vehículo también se presentaron algunos problemas que por fortuna se pudieron solucionar con facilidad. El primero de ellos fue el choque de los pedales con uno de los tubos de la bicicleta, la solución fue cambiar los pedales por otros que fuesen más amplios y no chocaran.

Posteriormente la localización de los frenos fue problema pues las zapatas de los mismos no alcanzaban a tocar la rueda en este caso fue una reacomodación de las arandelas de la zapata, con esto se logró acomodar la zapata y tener una buena efectividad de frenado. ANEXO 8. IMÁGENES DE LA CONSTRUCCIÓN

Sin embargo los problemas de aprendizaje de conducción no se mejoraron a pesar de realizar diferentes experimentos.

6. Pruebas de validación del diseño

Las restricciones de provienen de las reglas de la competencia del 2013, y las definidas por la Universidad de los Andes, presentadas en la tabla 1 de la sección 1.3 de este documento, estas delimitan el diseño del experimento con el cual se valida el vehículo.

Las pruebas realizadas para verificar el cumplimiento de las restricciones se dividen en dos grupos grandes, pruebas dinámicas y estructurales. Por facilidad se realizaron las pruebas dinámicas primero y luego las estructurales, en ambos casos los resultados fueron satisfactorios. ANEXO 9. DISEÑO DE LOS EXPERIMENTOS

Prueba Resultado

Frenado 25-0 km/h 5.5 m

Radio de giro 3.1 m

Velocidad máxima* 30 km/h*

Tiempo de aprendizaje 32 horas **

Tabla 3. Resumen del resultado de las pruebas dinámicas. * Debido a la inexperiencia por seguridad no se superaron los 30km/h y esta velocidad fue en el 3er cambio ** Fue el tiempo que le tomo a Fernando Mancilla conducir el VTH


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Para las pruebas estructurales se realizó una suposición sobre el modelo computacional que se realizó, la uniformidad de la malla y la inexistencia de puntos singulares sobre la misma. Con esta suposición se pudo considerar que el error del algoritmo de solución es el mismo en los diferentes estados de carga, por ello solo se debía realizar una prueba. Lo que motivo hacer esto fue la dificultad de realizar un montaje suficientemente robusto para medir las deformaciones sobre el VTH por esto se buscó como disminuir el riesgo de un accidente y realizar el estado de carga más sencillo.

El estado de carga escogido fue el peso del piloto, tras realizar la prueba se procesaron los datos y se obtuvo la gráfica 2.

Gráfica 2. Valores de deformación respecto a la carga del piloto.

Como se observa en la gráfica la deformación es de 4.5% un valor pequeño y aún en el rango elástico del material. Al comparar este valor con lo obtenido en la simulación la diferencia es mínima. Y respecto a las restricciones de diseño cumple satisfactoriamente el requerimiento.

7. Pasos siguientes

Después de realizar las pruebas dinámicas el vehículo mostró una debilidad, la facilidad de aprendizaje. El problema se analizó tanto empírica como teóricamente. A pesar de haberse realizado un cálculo sobre la estabilidad y mostrar que efectivamente se puede estabilizar el vehículo, este dependía directamente de la habilidad perfecta de un piloto ideal, en otras palabras no implicaba que fuera fácil manejar el vehículo.

Recomendaciones

o Construcción de un dispositivo que facilite realizar soldaduras y garantice la precisión de la geometría.

o El desarrollo de modelos dinámicos más completos para vehículos reclinados o recumbent.


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o Realizar estudios respecto a las velocidades que desarrollan los VTH´s en las pistas de la competencia y con esto limitar el peso de la aerodinámica.

o En futuros diseños contemplar tiempos de entrenamiento mayores y en lo posibles superiores a 6 meses.

o Realizar mayor divulgación de la competencia y motivar a la comunidad a vincularse al proyecto-

o Realizar estudios de cómo mejorar el desempeño del piloto por medio de la ergonomía y la refrigeración corporal.

o Desarrollar metodologías de aprendizaje para la conducción de VTH de 2 ruedas con el fin de disminuir el tiempo de aprendizaje.

ANEXO 10. Sugerencias y propuestas nuevas de diseño

8. Conclusión

El diseño se evaluó en diferentes aspectos, para su análisis se usaron varias herramientas, entre ellas ANSYS, MatLab y Excel. En los análisis realizados se definieron varios parámetros de importancia general del vehículo y se encontró un desempeño bueno para el diseño. Estos modelos analíticos se evaluaron sobre un prototipo real para tener mayor certeza de los mismos.

- El análisis realizado para el vehículo en sus diferentes campos indicó que el desempeño del vehículo sería altamente competitivo, con resultados similares a los vehículos que hoy están liderando el concurso.

- El proceso de diseño llevado a cabo fue riguroso y contempló varios aspectos del usuario y funcionales del vehículo, por lo que se concluye que el diseño aquí presentado es adecuado.

- El valor de construcción del vehículo es un monto adecuado y muy similar al que tienen los vehículos fabricados por otras universidades.

- A lo largo del proceso de manufactura se dieron problemas que rápidamente se solucionaron y culminó con un resultado satisfactorio

- El desempeño dinámico del vehículo fue inestable pero satisfactorio para las pruebas en las que se evaluó.

- Estructuralmente el vehículo cumple con todas las restricciones

7. Referencias

1. Bicycle Science 2ed, 1982, The Massachusetts Institute of Technology, Frank Rowland Whitt, David Gordon Wilson.

2. Python low racer, URL: http://www.python-lowracer.de 3. Reproducibility of pacing strategy during simulated 20-km cycling time trials in well-trained cyclists

URL:http://www.springerlink.com/content/rn3343l154155221/fulltext.pdf, mayo 7 de 2012 4. Human powered vehicle Challenge URL: http://www.asme.org/events/competitions/human-

powered-vehicle-challenge-(hpvc) 5. Design of Machines, segunda edición, Robert Norton 6. Shilgley’s Mechanical engineering design, octava edición, 7. Aerodynamic drag in cycling: methods of assessment , URL:

http://www.fredericgrappe.com/CV/bibliographie/D31.pdf, mayo 7 2012 8. Breaking the Speed Record: 81 MPH on a Bike

URL:http://www.wired.com/culture/lifestyle/news/2007/03/bikerecord_0330

http://www.python-lowracer.de/

http://www.springerlink.com/content/rn3343l154155221/fulltext.pdf

http://www.asme.org/events/competitions/human-powered-vehicle-challenge-(hpvc)

http://www.asme.org/events/competitions/human-powered-vehicle-challenge-(hpvc)

http://www.fredericgrappe.com/CV/bibliographie/D31.pdf

http://www.wired.com/culture/lifestyle/news/2007/03/bikerecord_0330


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9. Human dimensión & interior space, 1979 Julius Panero y Martín Zelnik y para la edición castellana Editorial Gustavo Gili, SA. Barcelona, 1983 para la presente edición Ediciones G. Gili, SA, México. D.F. 1984

10. Biomecánica clínica del aparato locomotor,1998, Rodrigo C. Miralles Marrero y Misericòrdia Puig Cunillera Masson, Liberdúplex , Madrid España. 1998

11. International Human powered vehicle association, URL: http://www.ihpva.org/hparchive.htm 12. Measurement of human muscle fatigue, 1997, Nina K. Vollestad, Universidad de Oslo, Noruega URL:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165027097022516 13. Power output and fatigue of human muscle in maximal cycling exercise, 1983, N. McCartney, G. J.

Heigenhauser, and N. L. Jones, Journal of applied Physiology, URL: http://jap.physiology.org/content/55/1/218.short

14. Optimal velocity for maximal power production in non-isokinetic cycling is related to muscle fibre type composition, 1996, C. A. Hautier, M. T. Linossier, A. Belli, J. R. Lacour, L. M. Arsac, European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology, URL: http://link.springer.com/article/10.1007%2FBF00376503

15. Monty a recumbent bike project, 2007, Olaf Johansson, URL: http://www.olafjohansson.com/monty/montypage.html

16. TMS Bicycle, stable without gyros or trail, 2011, Cornell University, URL: http://bicycle.tudelft.nl/stablebicycle/

17. The average human arm weighs approximately 6% of the total body weight." URL: http://www.vistalab.com/posture.asp

18. Weight of A Human Leg URL: http://www.netwellness.org/question.cfm/43046.htm 19. Average Weight of Human Head URL: http://danny.oz.au/anthropology/notes/human-head-

weight.html 20. Tecnology close up Dual CBS for large sport tourers URL: http://world.honda.com/motorcycle-

technology/brake/p5.html

http://www.ihpva.org/hparchive.htm

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165027097022516

http://jap.physiology.org/content/55/1/218.short

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http://www.olafjohansson.com/monty/montypage.html

http://bicycle.tudelft.nl/stablebicycle/

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http://danny.oz.au/anthropology/notes/human-head-weight.html

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http://world.honda.com/motorcycle-technology/brake/p5.html

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Diseño VTH 2013 Universidad de los Andes Anexo 1 Mayo 2013

Anexo 1, página 1

Anexo 1 Dirección

Imagen 1.1 Esquema de la ubicación del marco de referencia y las variables asociadas a este. URL: http://www.trails.com/imagecache/articles/295x195/what-benefits-recumbent-bikes-

295x195.png

El sistema de dirección está limitado físicamente a un ángulo de giro de 45° a cada lado, que con la distancia entre ejes (1.4 m) del diseño significa que el radio de giro mínimo es de 1.4 metros.

𝑟𝑔𝑖𝑟𝑜 =𝑑𝑒𝑗𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛(𝛼) , 𝛼 = á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝛼 ≤ 45°

Gráfico 1.1 Radio de giro en función del ángulo de dirección.

Al observar la restricción de las reglas sobre el radio de giro, se puede nota que el vehículo cumple ampliamente este requerimiento.

Sin embargo, por ser de dos ruedas se realizó un análisis de estabilidad en el que se hallaron los puntos de equilibrio al inclinar la cabeza a un lado, estirar el brazo y mover ambas piernas en una

http://www.trails.com/imagecache/articles/295x195/what-benefits-recumbent-bikes-295x195.png

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Anexo 1, página 2

dirección. Para determinar los ángulos críticos en los que al realizar estas acciones se puede estabilizar el vehículo y que al moverse a bajas velocidades resultarían muy importantes para la estabilización.

Se realizó una sumatoria de momentos sobre el eje generado por el apoyo de ambas ruedas, esta debería ser 0 para la condición estática, con esto se hallaron los siguientes ángulos.

�𝑀𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑜 = 0 → á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑐𝑙𝑖𝑛𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑜𝑠 𝜃𝑏𝑟𝑎𝑧𝑜 = 4.0°𝜃𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎 = 2.3°𝜃𝑝𝑖𝑒𝑟𝑛𝑎𝑠 = 10.9°

Para el análisis dinámico se buscó el ángulo al cual se inclina el vehículo al tomar las curvas a diferentes velocidades y ángulos de giro (equivalente a diferentes radios de giro)

Á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑐𝑙𝑖𝑛𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑜 𝑎𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎 (𝜃)

�𝑀𝑐𝑢𝑟𝑣𝑎𝑠 = 0

𝑀𝑝𝑒𝑠𝑜 + 𝑀𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑝𝑒𝑡𝑎 = 0

𝑚𝑣𝑡ℎ𝑝 𝑔 ℎ𝑐𝑚 𝑡𝑎𝑛𝜃 +𝑚𝑣𝑡ℎ𝑝𝑣2

𝑟𝑔𝑖𝑟𝑜= 0

𝑚𝑣𝑡ℎ𝑝 𝑔 (0.52 [𝑚]) 𝑡𝑎𝑛𝜃 +𝑚𝑣𝑡ℎ𝑝𝑣2

1.4tan𝛼

∗ (0.52 [𝑚]) 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 0

El vehículo tiene ciertas restricciones físicas, por este motivo se puede acotar el valor de las

variables: 𝑹𝒆𝒔𝒕𝒓𝒊𝒄𝒄𝒊𝒐𝒏𝒆𝒔 ∶ 𝟎 < 𝛼 < 45° , 0 < 𝑣 < 33.33 �𝒎𝒔� , 𝛉 ≤ 𝟑𝟐.𝟔°

9.81 �𝑚𝑠2�

(0.52 [𝑚]) 𝑡𝑎𝑛𝜃 = −tan𝛼 𝑣2

1.4 [𝑚] 0.52 [𝑚] cosθ

𝑠𝑒𝑛 𝜃 = �tan𝛼 𝑣2

7.1416 �𝑚3

𝑠2 �� cos2 𝜃 𝐷𝑖𝑠𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑜 𝑒𝑛 𝛼 = 0, 𝑣 = 0

𝑠𝑒𝑛 𝜃cos2(𝜃) = �

tan𝛼

7.1416 �𝑚3

𝑠2 �� 𝑣2

𝑣 =

⎷⃓⃓⃓⃓⃓⃓⃓⃓�⃓

𝑠𝑒𝑛 𝜃

cos2(𝜃)� tan𝛼

7.1416 �𝑚3

𝑠2 ��

Requerimiento mínimo de estabilidad 5 km/h 1.38 m/s

𝑽𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒎𝒊𝒏𝒊𝒎𝒂 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒂𝒖𝒕𝒐𝒆𝒔𝒕𝒂𝒃𝒊𝒍𝒊𝒛𝒂𝒓𝒔𝒆 = 0.374 𝑚𝑠

= 𝟏.𝟑𝟒𝟔 𝒌𝒎/𝒉


Anexo 1, página 3

Adicionalmente se realizó una grafica en la cual se pudiera ver la velocidad tangencial del vehículo a la que toma una curva en función del ángulo de giro (alpha) y el ángulo de inclinación (theta), grafico 2.

Gráfico 1.2 Velocidad tangencial al giro en función del ángulo de inclinación y del ángulo de giro.

El gráfico 1.2 contiene una gran información sobre el funcionamiento del vehículo, Muestra la velocidad en la que se toma una curva y por ejemplo se observa que el vehículo puede tomar curvas a una máxima velocidad de 25m/s es decir 90 km/h velocidad muy alta para un vehículo de tracción humana. Sin embargo este dato da seguridad sobre el desempeño dinámico que tendrá el vehículo una vez construido.


Anexo 1, página 4

Diseño del VTH 2013 Universidad de los Andes Anexo 2 Mayo de 2013

Anexo 2, página 1

Anexo 2 Cálculos transmisión

Primero se diseño la transmisión pensando en el uso de componentes comerciales para facilitar la manufactura, es decir que se usa una cadena estándar de bicicleta, con sus respectivos piñones.

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 ≈ 90 𝑘𝑚/ℎ 𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 100 𝑟𝑝𝑚

Debido al diseño de la bicicleta la rueda delantera tiene un diámetro de 20” pulgadas es decir un radio de 254mm. Considerando esto, se calculó la relación de la transmisión para lograr la velocidad máxima.

𝑉𝑡𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 �𝑚𝑠 �

= 𝑟[𝑚]𝜔 �𝑟𝑎𝑑𝑠 � , 𝜔𝑜𝑢𝑡 = 𝜔𝑖𝑛

𝑁𝑖𝑛𝑁𝑜𝑢𝑡

Donde 𝑟 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎, 𝜔 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 ,𝑁 = 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑖ñó𝑛. Debido a que la transmisión es compuesta se genera esta fórmula modificada:

𝜔𝑜𝑢𝑡 = 𝜔𝑖𝑛𝑁𝑖𝑛

𝑁𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑓𝑖𝑗𝑜 𝑁𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜

𝑁𝑜𝑢𝑡

El sistema escogido consta de dos “pachas” y un plato como se muestran en la tabla 1. Este sistema tiene 30 combinaciones posibles de cambios, sin embargo solo es conveniente usar 10 combinaciones como se muestra en el gráfico 1.

Para identificar las combinaciones se usan letras para el piñón de la transmisión intermedia y números para la transmisión final como se ve en la tabla 1.

Tabla 2.1. Número de dientes de cada pacha y plato

Al aplicar estas fórmulas al conjunto se tiene la velocidad máxima teórica en la rueda para cada combinación. Después de filtrar las combinaciones se determinó el rango de utilidad de cada cambio y el orden de uso de las combinaciones; A1, A2, A3, A4, B4, C4, D4, D5, E5, E6. Este orden de uso permite escalar velocidad de manera más fácil y rápida, lo que es una información de importancia para el piloto del vehículo.

Plato Pacha intermedia Pacha Rueda42 28 1 = 28

A=24 2 = 24B=21 3 = 21C=18 4 = 18D=16 5 = 16E=14 6 = 14


Anexo 2, página 2

Gráfico 1. Rango de utilidad de cada cambio en función de la velocidad en la rueda.

Análisis estructural

Para calcular la resistencia de la cadena se definió la longitud de las bielas y el diámetro del plato y piñones en función del número de dientes usando una cadena ANSY 40, que es la dimensión que corresponde a las cadenas estándar de bicicleta.

𝐿𝑏𝑖𝑒𝑙𝑎𝑠 = 170 𝑚𝑚 , 𝑑(𝑁) = 𝑁 ∗(12.7 𝑚𝑚)

𝜋

Las propiedades físicas de la cadena están dadas por su ficha técnica, en la que determinan las siguientes cargas:

𝑻𝒆𝒏𝒔𝒊ó𝒏 𝒎á𝒙𝒊𝒎𝒂 = 𝟏𝟑.𝟗 𝒌𝑵 , 𝑻𝒆𝒏𝒔𝒊ó𝒏 𝒅𝒆 𝒕𝒓𝒂𝒃𝒂𝒋𝒐 = 𝟑.𝟔 𝒌𝑵

Considerando las relaciones de dientes entre piñones que se determinaron por el análisis dinámico se tienen los siguientes diámetros:

𝑑𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜𝑁=42

= 169.7 𝑚𝑚 , 𝑑𝑝𝑖ñ𝑖𝑜𝑛𝑁=28

= 113.19 𝑚𝑚 , 𝑑𝑝𝑖ñ𝑖𝑜𝑛𝑁=24

= 97.02 𝑚𝑚

La fuerza de pedaleo se sobre estimo tomando como referente el record mundial de levantamiento de pesas (435kg), esta carga se tomó para considerar el caso mas extremo de fuerza humana. Esta fuerza, a pesar de ser de una prueba diferente, permite tener una idea del valor mas alto que puede soportar el cuerpo humano en las piernas.

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑝𝑒𝑑𝑎𝑙𝑒𝑜 = 𝐹𝑝 = 4.27 𝑘𝑁


Anexo 2, página 3

Con la fuerza se halló el torque y se realizaron la sumatorias de momentos en condición estática y dinámica para determinar las cargas máximas estáticas y de trabajo.

𝑇𝑒𝑗𝑒 𝑝𝑒𝑑𝑎𝑙𝑒𝑠 = 𝐹𝑝 𝐿𝑏𝑖𝑒𝑙𝑎𝑠 = 725 𝑁𝑚

�𝑀𝑒𝑗𝑒 𝑝𝑒𝑑𝑎𝑙𝑒𝑠 = 𝑇𝑒𝑗𝑒 𝑝𝑒𝑑𝑎𝑙𝑒𝑠 − 𝐹𝑐𝑎𝑑𝑒𝑛𝑎 1

𝑑𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜𝑁=422

= 0 → 𝑭 𝑴𝑨𝑿𝒄𝒂𝒅𝒆𝒏𝒂 𝟏 = 𝟏𝟐.𝟐𝟕 𝒌𝑵

�𝑀𝑒𝑗𝑒 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 𝐹𝑐𝑎𝑑𝑒𝑛𝑎 1

𝑑𝑝𝑖𝑛𝑖𝑜𝑛𝑁=242

− 𝐹𝑐𝑎𝑑𝑒𝑛𝑎 2

𝑑𝑝𝑖𝑛𝑖𝑜𝑛𝑁=282

= 0 → 𝑭𝑴𝑨𝑿𝒄𝒂𝒅𝒆𝒏𝒂 𝟐 = 𝟏𝟎.𝟓𝟏𝒌𝑵

𝑃 = 𝑇𝜔 = 𝐹𝑝′ 𝑙𝑏𝑖𝑒𝑙𝑎 𝜔

�𝑃 = 250𝑊 = 𝑇𝑝𝑒𝑑𝑎𝑙𝑒𝑠 𝜔𝑝𝑒𝑑𝑎𝑙𝑒𝑠 , 𝜔 = 60 𝑟𝑝𝑚 = 6.28𝑟𝑎𝑑𝑠

𝑇𝑝𝑒𝑑𝑎𝑙𝑒𝑠 = 39.78 𝑁𝑚 → 𝑭𝒄𝒂𝒅𝒆𝒏𝒂 𝟏 = 𝟎.𝟒𝟕 𝒌𝑵𝑭𝒄𝒂𝒅𝒆𝒏𝒂 𝟐 = 𝟎.𝟒𝟎 𝒌𝑵

�𝑃 = 1500 𝑊 = 𝑇𝑝𝑒𝑑𝑎𝑙𝑒𝑠 𝜔𝑝𝑒𝑑𝑎𝑙𝑒𝑠 , 𝜔 = 60 𝑟𝑝𝑚 = 6.28𝑟𝑎𝑑𝑠

𝑇𝑝𝑒𝑑𝑎𝑙𝑒𝑠 = 238.73 𝑁𝑚 → 𝑭𝒄𝒂𝒅𝒆𝒏𝒂 𝟏 = 𝟐.𝟖𝟏 𝒌𝑵𝑭𝒄𝒂𝒅𝒆𝒏𝒂 𝟐 = 𝟐.𝟒𝟏 𝒌𝑵

Al observar los valores obtenidos para la carga máxima y la carga de trabajo se concluye que la cadena convencional de bicicleta está en condición de soportar las condiciones de trabajo analizadas y el sistema de transmisión se desempeñará adecuadamente en el vehículo.


Anexo 2, página 4


Anexo 3, página 1

Anexo 3 Frenos

Para cumplir el requerimiento de frenado en la distancia mínima, se realizó un análisis energético de la fuerza total de frenado requerida para detener el vehículo.

𝐸𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 = 𝐸𝑓𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 12𝑚𝑣𝑡ℎ 𝑣2 = 𝐹𝑓𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑥𝑓𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜

𝑣 = 25𝑘𝑚/ℎ ≡ 6.94 𝑚/𝑠 , 𝑥𝑓𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 = 6 𝑚

𝐹𝑓𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 = 401.87 𝑁

Según la experimentación llevada a cabo por Honda en un sistema de freno integrado (dual CBS) 2/3 de la fuerza de frenado proviene de la rueda delantera y 1/3 de la rueda trasera.

𝐹𝑑𝑒𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑜 = 267 𝑁 𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜 𝐹𝑡𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑜 = 133 𝑁 𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜

Al usar la aproximación de fricción seca y suponiendo unos frenos de zapata de baja calidad se calculó la fuerza que se debe realizar en la manigueta del freno para cumplir con esta condición de frenado.

𝜇𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑜 = 0.52 , 𝐿𝑝𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑛𝑜 = 150 𝑚𝑚 , 𝐿𝑃𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑧𝑎𝑝𝑎𝑡𝑎 = 30 𝑚𝑚

𝑇𝑔𝑢𝑎𝑦𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑛𝑜𝐿𝑝𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑛𝑜

𝐿𝑃𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑧𝑎𝑝𝑎𝑡𝑎∗ 𝜇𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑜 ≥ 𝐹𝑑𝑒𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑜

𝑇𝑔𝑢𝑎𝑦𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑜 = 103 𝑁

𝑇𝑔𝑢𝑎𝑦𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑛𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑜 = 51 𝑁

Estas tensiones corresponden a levantar con solo los dedos 10.5 kg y 5.25 kg respectivamente, es decir que un freno convencional de bicicleta cumple con la condición de frenado.


Anexo 3, página 2

Diseño VTH 2013 Universidad de los Andes Anexo 4 Mayo de 2013

Anexo 4, página 1

Anexo 4 Cálculos sistema de almacenamiento energético

El sistema de almacenamiento energético analizado se basa en el uso de un volante que acumule energía en el funcionamiento. Para el movimiento del Vehículo el piloto cuenta con una potencia de salida del piloto 250 W, esta potencia se reparte en el movimiento del vehículo y en la carga del volante.

Es deseable que el volante aporte por lo menos 250 W durante 15 segundos, es decir que este debe acumular una energía de 3.75 kJ. Este aporte busca que el vehículo tenga un aumento de potencia en un corto tiempo para lograr una mayor aceleración o velocidad en punta.

𝐸𝑉 = 250 𝑊 ∗ 15 𝑠 = 3.75 𝑘𝐽

Nomenclatura

𝐸𝑉 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 [𝐽]

𝜔 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 �𝑟𝑎𝑑𝑠 �

𝑃 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑎 [𝑊] 𝑚 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 [𝑘𝑔] 𝑟𝑒𝑥𝑡 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 [𝑚] 𝑟𝑖𝑛 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 [𝑚] 𝐼 = 𝐼𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 [𝑘𝑔 𝑚2] 𝑧 = 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑃𝑖𝑛 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒

La energía que almacena un volante es:

𝐸𝑉 =12�𝑚�𝑟𝑜𝑢𝑡2 − 𝑟𝑖𝑛2 ��𝜔2

𝑃 ∗ 𝑡𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ∗ 2 = 𝑚�𝑟𝑜𝑢𝑡2 − 𝑟𝑖𝑛2 �𝜔2 𝒎 = 𝝆 ∗ 𝝅 ∗ 𝒛�𝒓𝒐𝒖𝒕𝟐 − 𝒓𝒊𝒏𝟐 �

𝐶1 = 𝑃 ∗ 𝑡𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ∗ 2 𝐼 = 𝑚 �𝑟𝑜𝑢𝑡2 − 𝑟𝑖𝑛2 �

𝑚 =𝐼

�𝑟𝑜𝑢𝑡2 − 𝑟𝑖𝑛2 �

𝐶1 = 𝐼 𝜔2 → 𝝎 = �𝑪𝟏𝑰

= �𝑃 ∗ 𝑡𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ∗ 2

𝜌 𝜋 𝑧�𝑟𝑜𝑢𝑡2 − 𝑟𝑖𝑛2 �2

Con estas ecuaciones se hallaron los intervalos de cada variable en función de las otras variables en un caso deseable. El primer caso es determinar una velocidad angular deseable y con esta se encontró el intervalo de masa que debería tener el volante para un espesor de 10.6 cm.


Anexo 4, página 2

𝜔 ∋ [120 𝑟𝑝𝑚 , 2500 𝑟𝑝𝑚] ≡ �12.56𝑟𝑎𝑑𝑠

, 261.79𝑟𝑎𝑑𝑠 �

𝐼 ∋ �𝐶1

157.91,

𝐶168538.9�

𝑚 ∋ �𝐶1

157.91�𝑟𝑜𝑢𝑡2 − 𝑟𝑖𝑛2 �

,𝐶1

68538.9�𝑟𝑜𝑢𝑡2 − 𝑟𝑖𝑛2 �

� →

𝑃 = 250 𝑊𝑡𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 60 𝑠𝑟𝑜𝑢𝑡 = 0.2 𝑚𝑟𝑖𝑛 = 0.15 𝑚

𝒎 ∋ [𝟐𝟕𝟒𝟏 𝒌𝒈 ,𝟔.𝟐𝟓 𝒌𝒈] 𝝎 ∋ [𝟏𝟐𝟎 𝒓𝒑𝒎 ,𝟐𝟓𝟎𝟎 𝒓𝒑𝒎]

El mismo proceso se realizó pero definiendo el peso del volante y con este se halló la velocidad angular a la cual debe girar el volante.

𝒎 ∈ [𝟓 𝒌𝒈 ,𝟐𝟎 𝒌𝒈] 𝝎 ∈ [𝟐𝟕𝟗𝟓.𝟓 𝒓𝒑𝒎 ,𝟏𝟑𝟗𝟕.𝟕𝟓 𝒓𝒑𝒎]

Al observar estos intervalos se interpreta que para el funcionamiento adecuado de volante, este tendría un peso muy alto o una transmisión compleja y por consiguiente un peso alto.

Tiempo de carga del volante

Adicionalmente se calculó el tiempo que demora en cargar el volante según la potencia que consume del piloto.

𝐸𝑉(𝑡) = 𝑷𝒊𝒏 𝑡 → 𝑡 =𝐸𝑉(𝑡)𝑷𝒊𝒏

Gráfico 4.1. Tiempo de carga del volante en función de la porción de potencia consumida.


Anexo 4, página 3

Con este criterio se corrobora la hipótesis que el volante es ineficiente y se convierte en un lastre. El tiempo de carga del volante, depende de la potencia que se le entrega al mismo, por lo que si se está en una carrera de un cuarto de milla, que se espera el vehículo complete en menos de 1 minuto, por lo que el volante no se cargaría lo suficiente ni podría aportar energía al vehículo, es decir que NO funciona el volante como medio de acumulación continua de energía en el vehículo.


Anexo 4, página 4


Anexo 5, página 1

Anexo 5 Sistema de seguridad

Las reglas de la competencia y los criterios de diseño del vehículo exigen un sistema de protección antivuelco y cinturón de seguridad. Por facilidad el cinturón de seguridad se selecciona de uno comercial, se decir que cumple las normas estándar, las cuales son más exigentes que los criterio de diseño.

Para el sistema antivuelco no se diseño una barra integral antivuelco, se uso un sistema de tubos que permiten que el vehículo se deslice por el asfalto y que el piloto no tenga contacto con el piso. Este sistema permite reducir peso sin comprometer la seguridad del piloto en caso de accidente. Para el análisis de este sistema se realizaron simulaciones en ANSYS las cuales se validaron.

Figura 5.1. Cargas aplicadas sobre la barra antivuelco / sistema de protección.

Figura 5.2. Resultado de esfuerzo equivalente de Von Mises en pascales.


Anexo 5, página 2

Figura 5.3. Resultados de la elongación en metros.

Al observar las figuras 5.2 y 5.3, se observa que en las simulaciones la magnitud de los esfuerzos esta alrededor de los 50 MPa, esfuerzo suficientemente bajo para que un aluminio comercial pueda asumir las cargas. Cuando se analiza el resultado de la elongación se nota que la elongación máxima es de 5 mm es decir que cumple de forma satisfactoria la condición de elongación dada por las restricciones.

A pesar de tener unos buenos resultados en las simulaciones realizadas es importante saber que estas están basadas en un modelo que trata de ajustarse a la realidad igual que las ecuaciones analíticas para hallar los esfuerzos y la elongación. Por este motivo estos resultados deben validarse con una prueba física sobre el vehículo.


Anexo 6, página 1

Anexo 6 Aerodinámica

El análisis de aerodinámica que se realizó estuvo dividido en varias etapas:

- Valoración de la sensibilidad de la fuerza de arrastre aerodinámico sobre una bicicleta convencional.

- Cálculo de un coeficiente de arrastre para lograr velocidad máxima con la dimensiones del vehículo

- Viabilidad de lograr coeficiente de esa magnitud - Simulación de flujo tridimensional alrededor del vehículo parcialmente carenado y con

carenado completo.

Nomenclatura

𝑣 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 �𝑚𝑠�

𝐴 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 (𝑚2)

𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 �𝑘𝑔𝑚3�

𝐶𝐷 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑠𝑡𝑟𝑒 𝑎𝑒𝑟𝑜𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑜 𝑃𝐷 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑠𝑡𝑟𝑒 𝑎𝑒𝑟𝑜𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑜

Valoración de la sensibilidad de la fuerza de arrastre aerodinámico sobre una bicicleta convencional

𝑃𝐷 =12𝜌 𝐶𝐷 𝐴 𝑣3

Con esta ecuación se evaluó la importancia del arrastre aerodinámico sobre un ciclista normal, al realizar el cálculo se encontró que debido a la potencia que tiene un ciclista al moverse a su velocidad máxima mayoría de su potencia es consumida por el arrastre aerodinámico. Es decir que la aerodinámica es fundamental para lograr una alta velocidad. En la gráfica 6.1, se puede observar el porcentaje de potencia que consume el arrastre en función de la velocidad para un piloto que entrega 250 W de potencia sostenida, valor promedio de potencia en una persona con buen estado físico.

Cálculo de un coeficiente de arrastre para lograr velocidad máxima con la dimensiones del vehículo

Conociendo la importancia del arrastre aerodinámico, se despejó el coeficiente de arrastre para poder predecir la velocidad máxima del vehículo para un piloto que entregue 250 W, 500 W (como potencia pico) y con un área frontal de 0.6 𝑚2.

𝐶𝐷 =2 𝑃𝐷𝜌 𝐴 𝑣3


Anexo 6, página 2

El resultado se ilustra en el gráfico 2, en él se observa que se desea un coeficiente menor a 0.1

Gráfica 6.1. Porcentaje de la potencia consumida por el arrastre aerodinámico para un piloto de con 250W de potencia.

Gráfica 6.2. Coeficiente de arrastre para diferentes velocidades máximas para piloto con 250 W y 500 W de potencia.


Anexo 6, página 3

Viabilidad de lograr coeficiente de arrastre 𝑪𝑫 ≤ 𝟎.𝟏 de magnitud

Para un coeficiente de esa magnitud, se debe realizar un carenaje muy bueno, sin embargo se encontró en la investigación la Tabla 6.1, proveniente del libro Bicycle Science de David Gordon Wilson. Y la imagen 6.1 proveniente de un “paper” escrito por el profesor C.R. Kyle.

Tabla 6.1. Características de velocidad y arrastre para vehículo de tracción humana con carenado.

Imagen 6.1. Profesor C.R Kyle en su VTH en 1976 imagen tomada de URL: http://www.recumbents.com/wisil/bythefoot/bythefoot.htm

En la tabla 6.1 y la imagen 6.2 se muestran diferentes coeficientes de arrastre aerodinámico para vehículo de tracción humana, en esos coeficientes, se observa que el carenado de Kyle, el cual se muestra en la Imagen 1 tiene un coeficiente de arrastre de 0.1 y desarrolla una velocidad de 20 m/s o 72 km/h. Con los conocimientos aerodinámicos de hoy es claro que hay muchos puntos que se pueden mejorar en ese carenado. Las modificaciones que se deberían realizar son reducir puntos de estancamiento y corregir la salida del aire de tal manera que no sea turbulento y no le permita a otro corredor aprovecharse de eso. Es decir que con los conocimientos de hoy y las técnicas de manufactura adecuadas se pueden obtener coeficientes de arrastre menores.

http://www.recumbents.com/wisil/bythefoot/bythefoot.htm


Anexo 6, página 4

Imagen 6.2. Tabla de desempeño en los diferentes vehículos (C. R. Kyle, V. J. Caizzo, and P. Palombo, Predicting human-powered-vehicle performance using ergometry and aerodynamic-drag measurements, Proceedings of IMFA

Conference, Technical University of Cologne, 1978.)


Anexo 6, página 5

Simulación de flujo tridimensional alrededor del vehículo parcialmente carenado y con carenado completo

Con el fin de determinar la importancia de un carenado completo, se realizaron dos simulaciones de baja resolución en la cuales que se puede ver la gran diferencia entre ambas clases de carenado. Y que hace falta un mayor refinamiento para que las magnitudes de presión sean confiables.

La simulación realizada fue a una velocidad de 60 km/h (16.66 m/s), con aire como fluido y a presión atmosférica. La velocidad se escogió pues es una velocidad considerable en la que el piloto estará entregando casi toda su potencia y el impacto del arrastre aerodinámico será mucho mayor.

Imagen 6.3. Líneas de flujo alrededor del vehículo

En la imagen 1 se observa un buen flujo del aire alrededor del fluido, sin embargo el cambio de color de las líneas de flujo indica unos cambios en la velocidad del aire en algunas secciones, y las líneas inconclusas sugieren puntos de estancamiento.


Anexo 6, página 6

Imagen 6.4. Contorno de velocidad alrededor del vehículo.

En la imagen 2, se tiene el contorno de presión y se verifican los puntos de estancamiento y se observan unos probables puntos de desprendimiento del flujo.

Imagen 6.5. Contorno de presión alrededor del vehículo.


Anexo 6, página 7

En esta imagen, está el contorno de presión con el que se corroboran los puntos de estancamiento en la punta del vehículo y en la cabeza del piloto. Los puntos de baja presión superiores sugieren una componente de fuerza de elevación en las áreas azules aguamarina, en la zona inferior es deseable tener una baja presión pues esta fuerza de elevación está aumentando la fuerza de fricción con el piso lo cual genera una mayor tracción en la curvas.

En las siguientes iteraciones del carenado, se debe buscar un balance de fuerzas de tal manera que el carro no se eleve del suelo y siempre mantenga adherencia con el.

Imagen 6.6. Líneas de flujo alrededor del vehículo parcialmente carenado.

En el caso parcialmente carenado las líneas de flujo inconclusas son demasiadas por lo que de entrada se observó que esta opción de aerodinámica no es tan buena como el carenado completo.


Anexo 6, página 8

Imagen 6.7. Contorno de velocidad alrededor del vehículo parcialmente carenado.

En el contorno de se pueden ver varios puntos de estancamiento y en todos desprendimiento del flujo.

Imagen 6.8. Campo vectorial de la velocidad sobre el vehículo parcialmente carenado.


Anexo 6, página 9

En el campo vectorial se tiene una mejor visión de los puntos en los cuales se desprende el flujo. Con estos puntos queda muy claro que un carenado completo es muy superior y necesario para lograr el coeficiente deseado.

Imagen 6.9. Contorno de presión alrededor del vehículo parcialmente carenado.

En el contorno de presión se observa una clara diferencia respecto al carenado completo, en este caso solo se tienen altas presiones alrededor del vehículo, lo que implica una mayor fuerza de arrastre, además hay varios puntos con presiones negativas, lo que implica un flujo turbulento en esa zona.

Después de analizar los resultados de ambas simulaciones se concluye que un carenaje completo es vital para lograr la velocidad esperada.


Anexo 6, página 10


Anexo 7, página 1

Anexo 7 Análisis estructural

Carga 1200N

Este primer estado de carga corresponde al peso de un piloto de 100 kg aproximadamente.

Figura 7.1. Resultado de esfuerzo de von mises para carga de 1200N (Pa).

Figura 7.2. Resultado de esfuerzo máximo principal para carga de 1200N (Pa).


Anexo 7, página 2

Figura 7.3. Resultado de esfuerzo cortante máximo para carga de 1200N (Pa).

Figura 7.4. Resultado de magnitud de elongación para carga de 1200N (m)


Anexo 7, página 3

Carga en la barra antivuelco

Figura 7.5. Resultado de esfuerzo de von mises para carga combinada en la barra antivuelco (Pa).

Figura 7.6. Resultado de esfuerzo principal máximo para carga combinada en la barra antivuelco (Pa).


Anexo 7, página 4

Figura 7.7. Resultado de esfuerzo cortante máximo para carga combinada en la barra antivuelco (Pa).

Figura 7.8. Resultado de magnitud de elongación para carga combinada en la barra antivuelco (m).


Anexo 7, página 5

Pedaleo 4200 N

Figura 7.9. Resultado de esfuerzo de von mises para carga de pedaleo 4200 N (Pa).

Figura 7.10. Resultado de esfuerzo principal máximo para carga de pedaleo 4200 N (Pa).


Anexo 7, página 6

Figura 7.11. Resultado de esfuerzo cortante máximo para carga de pedaleo 4200 N (Pa).

Figura 7.12. Resultado de magnitud de elongación para carga de pedaleo 4200 N (m).


Anexo 7, página 7

Análisis de los resultados

Al observar los resultados de estas simulaciones se nota que el esfuerzo máximo está en el apoyo de la rueda trasera, pero este esfuerzo se ignora debido a la condición de frontera utilizada en la simulación. También se interpreta que la distribución de esfuerzos en la simulación es continua y no tiene saltos grandes lo que sugiere una buena convergencia del algoritmo de solución y unos esfuerzos máximos dados por el diagrama de color están alrededor de los 45 MPa. Esta magnitud del esfuerzo es un valor razonable que fácilmente puede ser sobrellevado por varias aleaciones de aluminio.

En las simulaciones se utilizó como material aleación de aluminio, pero debido a que el material en particular no se había seleccionado principalmente por la disponibilidad en el mercado nacional, no se calculó el factor de seguridad pues este depende del esfuerzo de fluencia o en el caso del esfuerzo de endurecimiento o de fatiga. Estos datos son únicos del material, por lo tanto para ser más general solo se hallaron los esfuerzos sobre la estructura y la deformación que resulta de cada estado de carga. Para una vez seleccionado el material se realice un análisis de vida de fatiga por medio de los criterios de Goodman, Gerber, ASME y Soderberg.

Al revisar las diferentes aleaciones de aluminio se encontró que todos los aluminios de la serie 2000, 3000, 4000 y 7000 pueden sobrellevar los esfuerzos generados por el estado de carga. En las otras series de aluminio se debe revisar que la aleación específica esté en capacidad de asumir ese esfuerzo. También según el material escogido se debe realizar un análisis de fatiga en el que se debe garantizar por lo menos una vida útil de 5x105 ciclos, ciclaje que corresponde a aproximadamente 6 meses de uso continuo 24 horas del día 7 días a la semana.

En las figuras 4,8 y 12 se observa el resultado de elongación total y en los 3 estados de carga, la mayor elongación es de 5 mm es decir que la condición de elongación impuesta por la restricción se cumple.


Anexo 7, página 8

Construcción del VTH 2013 Universidad de los Andes Anexo 8 Mayo de 2013

Anexo 8, página 1

ANEXO 8. Manufactura

El proceso de manufactura involucró diferentes procesos, en las siguientes imágenes se ilustra el proceso

realizado.

Imagen 1. Doblado del tubo del bastidor

El primer proceso realizado fue el doblado de los diferentes tubos del VTH. El doblado es un proceso de

deformación plástica en el que se curva el material para obtener las geometrías deseadas. En la imagen 1 se

muestra la dobladora usada con el material del bastidor. Este proceso se realizo en un taller externo al de la

universidad debido a la disponibilidad de estas máquinas.

Imagen 2. Mecanizado de tubos para precisión en las uniones de los mismos.


Anexo 8, página 2

El mecanizado fue otro de los procesos usados en la manufactura, en este caso se usó para generar las

geometrías adecuadas en los tubos de tal forma que en el momento de soldar el empalme de los tubos

fuese preciso y se redujera el error en el momento de soldar.

Imagen 3. Mecanizado por control computarizado

Imagen 4. Resultado de las primeras soldaduras

La soldadura es parte esencial de la manufactura de este VTH, fue el proceso más determinante pues

permitió unir las diferentes secciones de manera solida. Este proceso se realizó en la Universidad con la

ayuda de Jorge Reyes quien soldó el aluminio de forma impecable. En la imagen 4 se muestra el primer paso

tras soldar varios tubos y crear la sección trasera del VTH.


Anexo 8, página 3

Imagen 5. Primera versión del VTH completado

Imagen 6. Detalle del sistema de transmisión

El primer prototipo (imagen 5), durante el ensamblaje presentó algunos problemas. Estos problemas

estuvieron relacionados a la localización de algunos componentes. En particular los frenos fueron un

problema, pues fue necesario reorganizar el ensamble de las zapatas para lograr que estas hicieran contacto

con la rueda. Otro componente problemático fueron las bielas de los pedales, en un comienzo estos

chocaban con la estructura, pero la solución fue simple y se cambiaron por unos mas anchos que

permitieran el libre movimiento.


Anexo 8, página 4

Imagen 7. Detalle de los frenos, trasero (superior) y delantero (inferior).

Conforme se desarrollaron las pruebas se realizaron unos cambios, uno de ellos fue la ubicación del

manubrio, este cambio se realizó para facilitar el movimiento de la dirección y pensando en la estabilidad.

Imagen 8.

Imagen 8. Manubrio del segundo prototipo.


Anexo 9, página 1

ANEXO 9. DISEÑO DE LOS EXPERIMENTOS

Con el fin de validar el diseño del VTH y poder verificar la aprobación de las restricciones expuestas en la

tabla 1 del documento, se realizaron diferentes experimentos. Estos se separan en dos grandes grupos. Las

pruebas dinámicas y las estructurales.

Pruebas estructurales.

Las pruebas estructurales consistieron en verificar de forma no destructiva la integridad del vehículo. En este

caso se utilizaron galgas de micro deformación, estas son dispositivos electromecánicos que al deformarse

varían su resistencia. En el montaje de estas se tuvieron varias precauciones con el fin de garantizar la

precisión en las mediciones. Precauciones tales como, limpiar y lijar la superficie, usar un adhesivo adecuado

para el montaje, soldar con precaución los cables en los terminales, usar cables delgados con aislamiento

(como los de una bobina), entre otras.

Imagen 1. Galga de micro-deformación.

Una vez se instalaron las galgas, se realizo una sola prueba de carga. El motivo de realizar una sola prueba

fue las complicaciones que representó el montaje físico para realizar las otras pruebas. Sin embargo gracias

a los modelos matemáticos usados para solucionar computacionalmente los estados de carga comparten la

malla y la naturaleza de los algoritmos de la solución, en otras palabras si se realiza una comparación de un

estado de carga se puede interpolar el error del algoritmo en cualquier estado de carga. Es importante notar

que al realizar esta interpolación se está asumiendo que no hay singularidades en la malla y que la

geometría es continua. En el caso particular de este proyecto se verificó la calidad de la malla en tercer

grado con esto se logró verificar la calidad del enmallado.

El estado de carga escogido fue el del peso piloto, es decir una carga de 300 kg sobre el asiento. En la

imagen 2 se muestra como se cargó el vehículo para realizar las mediciones. En el montaje se usó una tabla

de madera para lograr ubicar las diferentes pesas sobre el vehículo. En el montaje se decidió dejar el

vehículo reposar sobre ambas ruedas y brindarle apoyo manual con el fin de evitar que este cayera hacia un

costado. Adicionalmente se usó un equipo de adquisición de datos en el que se transformo y amplificó la

señal de resistencia eléctrica obtenida de las galgas para su posterior almacenamiento como valores de

deformación en un ordenador.


Anexo 9, página 2

Imagen 2. Montaje del experimento.

Los datos obtenidos en esta prueba fueron satisfactorios pues el vehículo no mostró ninguna deformación

plástica ni elongaciones mayores a las obtenidas en las simulaciones presentadas en el anexo 7, como se

ilustra en la gráfica 1. Después de analizar los datos se determinó que la máxima deformación es de 4.5% es

decir que se encuentra en el rango elástico del material.

Gráfica 1. Valores de deformación para cada carga.

El procedimiento para la obtención de los valores de deformación fue medir durante un tiempo prudencial

los datos para cada peso que se agregaba luego se calculó el error relacionado al promedio de cada grupo de


Anexo 9, página 3

datos. El error asociado a cada grupo de datos se atribuye a las vibraciones que se generan al dejar caer los

pesos y vibraciones de las maquinas del laboratorio en el que se realizó la prueba. Luego se calculó la

propagación de error debida a la precisión de las galgas y la varianza de los datos, asi como las

transformaciones aritméticas de los mismos lo que induce error. El error final asociado fue de 0.5% de

deformación y se dice tener una confianza del 88.93%

Pruebas dinámicas

Estas pruebas comprenden varios ítems de la tabla 1, por ejemplo la estabilidad, radios de giro, velocidad

máxima, efectividad de frenado. La prueba de estabilidad consiste en un manejo a una baja velocidad y

mostrar que el vehículo es capaz de transitar sin ayuda y estable. Es decir que el vehículo no se voltea o se

frena de forma involuntaria.

Esta prueba se diseñó trazando una línea recta en el suelo y haciendo al vehículo transitar sobre ella a baja

velocidad como se muestra en la imagen 3.

Imagen 3. Prueba estabilidad.

Las pruebas de maniobrabilidad se hicieron pintando sobre el piso una trayectoria que debe seguir el

vehículo. Esta trayectoria incluyó curvas cerradas y slalom para identificar la estabilidad del vehículo.

Imagen 4. Pruebas de maniobrabilidad.

Al realizarse estas dos pruebas fue evidente la gran debilidad de este VTH, la estabilidad. A pesar de lograr

superar todas las pruebas satisfactoriamente. Fue un gran reto aprehender a manejar el VTH y esto se

tradujo en varias caídas que en ningún caso lesionaron al conductor, pero dejaron claro que el tiempo que

debe entrenar un conductor es importante para el buen manejo. En esta prueba se midió el radio de giro del

vehículo y fue de 3.1 m, suficiente para cumplir el requerimiento.


Anexo 9, página 4

Imagen 5. Pruebas de velocidad

Las pruebas de velocidad realizadas fueron opacadas por la dificultad de manejo del vehículo pues debido a

la ausencia de práctica no se usaron los cambios mas rápidos solo se trabajo en la 4 relación por motivos de

seguridad. En este cambio se observó que el vehículo llegó a 30km/h en el parqueadero de Carrefour de la

170 y a 28 km/h en una carretera con poco tráfico cercana a Sopo. En estas pruebas si se evidenció algo muy

importante y es la eficiencia del vehículo pues el piloto lo condujo por mas de dos horas de forma continua y

al terminar no mostraba sudor excesivo ni agotamiento físico, en otras palabra el consumió menor energía

que en una bicicleta convencional.

Adicionalmente de estas pruebas de velocidad se puede concluir que el vehículo esta en capacidad de ir

mucho más rápido y cumplir el requerimiento con el que se diseño pero el problema de la estabilidad

representa un gran reto a vencer en los entrenamientos.

Las pruebas de frenado se realizaron con marcas en el piso en el que el VTH freno a diferentes velocidades

con el fin de medir la efectividad. En el frenado de 25-0 km/h el vehículo frenó en 5.5m cumpliendo el

requerimiento de frenado.

Pruebas adicionales

En un esfuerzo por mejorar la estabilidad del vehículo se realizó una prueba variando la inercia rotacional

del mismo. La inercia es una medida que determina el movimiento angular de una geometría, por este

motivo se decidió cambiarla y ver el efecto que tiene en la percepción de estabilidad de un piloto. El

experimento se desarrollo de manera teórica y experimental.

Desde el aspecto teórico al cambiar la inercia de forma considerable cambia la forma en la que se estabiliza

el VTH. Para analizar este sistema se uso una metáfora de un péndulo invertido, por este motivo se dejaron

de considerar parámetros como el peso del vehículo y la ubicación del centro de masa. En este modelo la

inercia es fundamental para la estabilización del sistema, por esto al aumentarla resulta mas simple

mantener el péndulo invertido en los ángulos estables y la velocidad con la que oscila disminuye. Esta

disminución se interpretó en esta metáfora como una mejora en la inercia.

En una primera aproximación al problema se hallaron las inercias rotacionales del vehículo y se buscó un

rediseño al mismo que permitiera incrementar la misma. En la imagen 6 se observan los datos físicos del

vehículo inicial con una inercia de , en la imagen 7 la inercia es de sobre el centro


Anexo 9, página 5

de masa del vehículo para rotar sobre el eje X. es decir que existe un incremento del 4.36%. sin embargo el

costo de peso de este incremento es de 9kg.

Imagen 6. Datos físicos vehículo original (11.1 kg-m^2)

Imagen 7. Datos físicos vehículo modificado (11.49 kg-m^2).


Anexo 9, página 6

Imagen 3. Altura del marco de referencia (262.2 mm).

El rediseño mostró ser un cambio muy insignificante en la inercia, por lo que se propuso un cambio mas

agresivo como se muestra en la imagen 8.

Imagen 8. Rediseño para aumentar la inercia (74.64 kg-m^2)

Esta modificación impactó considerablemente la inercia del sistema pasando de 11.01 kg-m^2 a 74.64 kg-

m^2 es decir un incremento del 677%. Este cambio en teoría volvería el vehículo seis veces mas estable de

lo que estaba, pero al construir la modificación y probarla no fue tan satisfactorio el resultado (imagen 9).


Anexo 9, página 7

Imagen 9. Modificación para incrementar la inercia.

Cuando se probó la modificación hubo muy poco cambio en la estabilidad. Primero se empujó el VTH sin

modificar y se midió la distancia que le tomó caer, 7 metros. Luego el VTH modificado, este cayó en 7.5

metros. La diferencia entre ambos fue muy pequeña y se puede decir que despreciable.

La siguiente prueba se realizó con un piloto nuevo, en este caso el resultado fue negativo. El piloto en el VTH

sin modificar se sintió inestable. Al agregar la modificación el piloto sintió el carro mas estable, pero seguía

siendo inestable. Con el piloto se realizó la misma prueba de empujarlo y ver que distancia recorría antes de

caer. Sin modificar recorrió 5 metros y modificado recorrió 4.5 metros, en este caso la prueba no es muy

diciente pues el piloto induce inestabilidad en el vehículo y el pudo ser la causa de la prematura caída en

ambas pruebas, sin embargo si se observo que al incrementar la inercia si el vehículo cae no hay forma que

el piloto lo pueda nivelar y estabilizar por si solo.

La conclusión de este experimento fue: La inercia es uno de los tantos factores que influyen en la estabilidad

del VTH sin embargo al cambiarla no se alteró la estabilidad por lo que se sugiere no contemplar cambio en

la inercia para mejorar la estabilidad.

Construcción VTH 2013 Universidad de los Andes Anexo 10 Mayo de 2013

Anexo 10, página 1

ANEXO 10. Pasos a seguir

Después de construido el vehículo se identificaron diferentes problemas estos tienen causas, unos del diseño y otros de la manufactura. Los provenientes de la manufactura se lograron solucionar con relativa facilidad, sin embargo los provenientes del diseño son problemas intrínsecos del vehículo y la solución de los mismos implica una modificación mayor al diseño.

El problema más representativo en el vehículo fue la dificultad para conducirlo, esto se refleja en la estabilidad del vehículo. A pesar de ser posible conducir exitosamente el vehículo se requiere una gran habilidad motriz del piloto, por esto el tiempo de entrenamiento de un equipo de pilotos es alto y por consiguiente dificulta la consolidación de un buen equipo de atletas.

En el cálculo realizado en el anexo 1 se hizo una suposición muy fuerte, la habilidad perfecta del piloto para estabilizar el vehículo. Esta suposición no considera en ningún momento el proceso de aprendizaje que debe realizar el piloto, que en este caso es un tiempo elevado oscilando entre la 8 y las 72 horas para personas que ya saben conducir bicicletas. Al analizar este problema con mayor atención fue evidente que la estabilidad del vehículo depende de muchas variables. Por ello se recomienda realizar un estudio mas profundo de la dinámica del VTH para identificar la raíz del problema y si es posible mejorarlo.

El vehículo que se construyó mostro otras debilidades como la confiabilidad del sistema de transmisión. Los problemas relacionados a la confiabilidad del sistema de transmisión son consecuencia del mal alineamiento de los piñones con la cadena y la fuente de este defecto está en la soldadura del vehículo. Por esto se recomienda la construcción de un soporte para soldadura que facilite el alineamiento de los múltiples elementos que conforman un VTH.

Como se mostró en el anexo 6, la aerodinámica es un factor fundamental para el desempeño del VTH, sin embargo por la forma de la competencia se recomienda realizar un estudio mas extenso de las velocidades que se desarrollan en la competencia y buscar el balance de peso extra y mejoría de velocidad.

Con la experiencia recuperada de este trabajo se observó un factor determinante para el desempeño general del proyecto de VTH de dos ruedas. La experiencia de un equipo no se puede tener en un periodo corto de tiempo, esta debe crearse y en el caso de los VTH de dos ruedas el aprendizaje requiere un tiempo considerable. Por esto se recomienda llevar los trabajos relacionados al diseño a proyectarse uno o dos años adelante en el tiempo para que el equipo se familiarice con el o los vehículos. Además de poder entrenar y probar los vehículos a lo largo de cientos de kilómetros.

Se recomienda hacer mas divulgación sobre la competencia HPVC con el fin de motivar y reclutar mas personas para la conformación de un equipo mas grande. Adicionalmente se sugiere extender este proyecto a la facultad de diseño para la realización de presentaciones, publicidad y uso de medios comunicativos de mercadeo. Esta unión no solo es un medio de divulgación sino también de motivación interna del equipo pues engrándese los logros y permite conocer las reacciones del público ante el desarrollo que se realiza. Esto integra a la comunidad y puede llegar a verse reflejado en un espíritu de competencia y uniandino alrededor del proyecto.

También se sugiere extender el proyecto a la facultad de ingeniería biomédica para tener información sobre los factores que influyen en el rendimiento cardiovascular de una persona y como esto cambia la potencia entregada por un individuo. Un ejemplo de uno de estos factores es la temperatura corporal, pues a medida que el cuerpo realiza trabajo este sube su temperatura y disminuye su rendimiento hasta llegar a un punto

Construcción VTH 2013 Universidad de los Andes Anexo 10 Mayo de 2013

Anexo 10, página 2

de agotamiento. Si se logra mejorar este desempeño se puede aprovechar mejor la transmisión del VTH y optimizar el rendimiento general del vehículo.

En este trabajo hubo errores, estos estuvieron relacionado a la falta de información sobre la dinámica de una bicicleta reclinada o recumbent, pero después de construir este vehículo se puede entender por que el diseño original de la bicicleta no ha cambia significativamente en el tiempo. El hecho que no cambie puede ser motivado a la dificultad de estabilizar el vehículo en otras posiciones del piloto. Por este motivo se sugiere considerar en futuros diseño los movimientos del piloto y como este puede modificar la posición del vehículo.

A2Salvo indicación contraria todas lamedidas están en milímetros y tienentolerancias de ± 0,5 mm

Dibujado por: Daniel de Mulder

Fecha31 de Octubre2012

Tubo Principal Chassis

Tubo superior soporte rueda trasera

Tubo de protección

Tubo inferior soporte rueda trasera

Platina soporte rueda trasera

Platina de refuerzo

Platina soporte rueda delantera

Platina soporte transmisión intermedia

Tubo eje pedales

Tubo eje de dirección

Platina superior dirección

Platina inferior dirección

Tubo superior dirección

Tubo inferior dirección

Tubo soporte transmisión intermedia

Ensamble general del Vehículo




118°

250

32°

511

49° 50

3

R 155

R 114

R155

A

VIEW A

R 29

Tubo Principal Chassis

Escala 1 : 4




63°

45°

45°210

260

50°

275

6,35

R20

1

R50

O 29

O 57,1

100

125

34

44

Tubo eje de dirección

Escala 1 : 1

Platina de refuerzo

Refurzo y dirección del chassis




2525

R 62

O28,5

38 38

3998

39

38 38

176°

74

74

6,3 5

R 62,4

67 39 38

3998

39

O28,5

162° 6,3 5

40

25,4

25,4

4047

2 911

15,26

10

96

41°

41°

6,35

Escala 1 : 1Platina superior dirección Platina inferior dirección

Platina soportetransmisión intermedia

Platinas dirección y transmisión intermedia




530114

14 O 22,4

O 25,4

643

657

319

175°

279

573

655

O 22,4

O 25,4

83

81°

Tubo superior soporte rueda trasera

Tubo inferior soporte rueda trasera

Escala 1 : 2Tubos soporte rueda trasera




O 22,42

O 25,44

R 62

1 73 °

830

737

R25

,03

855


Escala 1 : 2




22,4

25,4

R 62

R 25

165°

43

217

O 22,4

O 25,4

O 37,3

O 50

100

634

720


Tubo soporte transmisión intermedia

Tubo eje pedales

Escala 1 : 2Tubos sección frontal




15°

9°

23°

O 10

75 6,35

110

84

35

38

300

R25

Platina soporte rueda delantera

Tubo de protección Escala 1 : 1Tubo de protección y soporte rueda trasera

Documents

Construcción y validación estructural del Vehículo de