INFORME DE DISEO HPVC LATIN AMERICA 2015

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANASECCIONAL BUCARAMANGA

Vehculo # 12

Integrantes:

HENRY YITZHAK ACOSTA CARRASCALhenryyacostac@gmail.com(316) 833-7023DANIEL ESTEBAN LVAREZ PERILLAOSCAR ALBERTO ARENAS URIBEGUILLERMO ALFONSO BAUTISTA BAYONAARNOLD ANDRS JAIMES RETIGADANNA MANUELA MARTNEZOSCAR EDUARDO NAVARRO BENITEZJUAN DAVID OSPINA ARANGOJOAN EDUARDO QUESADA DAZANDREA JULIANA TIJO GARNICAandreajuliana.tijo@hotmail.com(350) 650-8388

Maestro tutor:

ALFONSO SANTOS JAIMES alfonso.santos@upb.edu.co(7) 679-6220 Ext. 522

Floridablanca, Santander2015Vista Superior

Vista Lateral

Vista Frontal

RESUMEN

La facultad de Ingeniera Mecnica de la Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga, siempre se ha caracterizado en el diseo, innovacin y construccin de vehculos de traccin humana (VTH), los cuales han calificado y llevado a competencias nacionales e internacionales. El vehculo es impulsado nicamente por fuerza muscular ejercida por un ser humano; el diseo de este vehculo vara segn sus funciones u objetivos, llegando a velocidades de 40 km/h probadas en lnea recta.

Su innovacin ha permitido mejoras en estos vehculos, tales como disminucin de peso, longitud, aumento de traccin y aceleracin, como tambin su velocidad y por supuesto su seguridad. El vehculo creado cuenta de dos desviadores ubicados en el pedal y en el neumtico trasero para aumentar su velocidad junto con una relacin de dos platos de engranajes ubicados en los pedales y debajo del asiento, y un juego de piones ubicado finalmente en la llanta trasera; sus dos desviadores cuentan con la facilidad de obtener 9 cambios, esto ayuda en la potencia del vehculo sin desgastar tanto fsicamente al piloto. El cambio y estudio de materiales que pueden mejorar el vehculo se ha visto notoriamente; junto con su mejora en las medidas geomtricas del mismo, esto hace que el vehculo sea ms liviano, resistente y su centro de gravedad baje, aumentando an ms la ventaja que se podra tener en una competencia. El diseo es evaluado por un estudio de esfuerzos para la seguridad del conductor y del vehculo. Estos estudios y diseos se realizan mediante dos softwares CAD/CAE, SolidWorks y ANSYS, donde podemos simular el vehculo y determinar que mejoras se pueden realizar para redisear. Finalmente se pone a prueba el vehculo, cumpliendo con los requisitos dados en cada competencia, buscando qu mejoras se pueden implementar en l.

ABSTRACT

The mechanical engineering faculty from the Pontificia Bolivariana University in Bucaramanga has always outstanded for the desing, innovation and building of Human Powered Vehicles (HPV), which have been taken to national and international competitions. This vehicle is powered only by the muscle force made by a human being; the design changes according to the needs or objectives, reaching up to 40 kph speeds in a straight line.

Its innovation has allowed improvements in these vehicles, such as lowering its weight, length, increasing traction and acceleration, also its speed and security have been improved. The vehicle built has two Derailleur gears, set in the pedals and the other in the back tire to increase its performance, along with two chainsets, one in the pedals and the other under the seat, and a sprocket set in the rear tire, which can get up to 9 gears, allowing the pilot to make the right gears to either get forc or speed. The changing and study of the materials used for the improvement have been noted, along with the amelioration of the measurements, this makes it lighter, more resistant and more stable, improving the possible advantage in a competition. The design is evaluated through a static study in the CAD/CAE softwares, SolidWorks and ANSYS, where we can simulate the vehicle and the possible improvements to re-design. Finally is tested, fulfiling the requirements for each competition, looking for further improvements.

TABLA DE CONTENIDOS

I. Diseo................................................................................................................................1a. Objetivo..................................................................................................................1b. Antecedentes...........................................................................................................1c. Trabajo previo.........................................................................................................1d. Especificaciones de diseo......................................................................................2e. Conceptos de desarrollo y mtodo de seleccin......................................................5f. Innovacin.............................................................................................................9II. Anlisis...............................................................................................................................10a. Anlisis RPS..........................................................................................................10b. Anlisis Estructural................................................................................................11c. Otros Anlisis........................................................................................................12III. Seguridad...........................................................................................................................15a. Diseo para la seguridad...................................................................................15IV. Conclusiones.....................................................................................................................15a. Evaluacin.............................................................................................................15b. Conclusiones.........................................................................................................15

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I. DISEO

a. Objetivo

Disear y fabricar un vehculo de traccin humana, para la competencia de HPVC Latin America 2015, que cumpla con las exigencias ms importantes brindadas por la norma ASME, en el cual se puedan aplicar los conocimientos ingenieriles adquiridos por los autores, en la facultad de ingeniera mecnica de la Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga.

b. Antecedentes

A lo largo de la historia, el ser humano se ha visto en la necesidad de desplazarse de un lugar a otro, buscando bienestar y confort. En los ltimos aos, los vehculos de traccin humana, han venido tomando diversas formas y diseos, empleando una alta gama de materiales para utilizarlos en campos como el deporte, el transporte urbano e inclusive la guerra.

Las bicicletas, son el vehculo de traccin humana ms empleado hoy en da, por tal motivo, se han venido fabricando de materiales como Aluminio o Fibra de Carbono, teniendo como finalidad disminuir el peso lo cual conlleva a un menor gasto de energa por parte de los conductores.

Uno de los avances en el cual se ha trabajado enfticamente, ha sido la seguridad del piloto; en los VTH de tres ruedas, se ha implementado habitculos que otorguen una mayor confianza en el cuidado de la integridad fsica del conductor, esto ha hecho que jueguen un papel importante materiales de ltima tecnologa como la fibra de vidrio, carbono y/o polmeros sper resistentes.

c. Trabajo previo

En el proceso de diseo del VTH se llevaron a cabo investigaciones, bocetado de la idea inicial, modelo matemtico, modelado del diseo, simulaciones y por ltimo se plantearon sugerencias para mejorar el diseo ya evaluado.

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Las investigaciones se hicieron respecto a referentes tericos, de pruebas realizadas con stos vehculos, teniendo en cuenta los pros y los contras de los modelos, recopilando la informacin ms pertinente respecto a las caractersticas viables de los diseos propuestos.Al tener ms conocimiento sobre el tema, se organizaron las ideas ms funcionales y se realiz un previo boceto para visualizar de una manera general la informacin y las ideas generadas. De la misma manera, fueron enfocadas hacia la proteccin y la seguridad del ocupante y la reduccin del esfuerzo hecho por el mismo.

Por consiguiente, despus de la unificacin de las ideas, se realiz el proceso de dibujo utilizando los conocimientos adquiridos en dibujo de elementos de mquinas en software (SolidWorksTM), dibujando pieza por pieza, realizando el respectivo ensamble. Luego de tener el ensamble realizado en SolidWorksTM de un posible diseo final se realizaron simulaciones estticas de cargas, fuerzas, impactos y las pruebas que realizar el comit de la ASME para verificar la funcionalidad del diseo y el cumplimiento de la norma a cabalidad; al mismo tiempo que los clculos estticos y el modelo matemtico para obtener datos necesarios para las simulaciones y el ensamble. De la misma manera, se realiz una prueba de velocidades tomadas en una posible pista, tomando velocidad e instante de tiempo con dos de los conductores.

Con las respectivas simulaciones y los datos obtenidos, aparecieron una serie de fallas que para ser corregidas se hizo una retroalimentacin hacia la investigacin con nfasis en los errores encontrados por el sistema (ANSYS).

d. Especificaciones de diseo

Para la elaboracin del vehculo de traccin humana, se tuvieron en cuenta las siguientes consideraciones:

Vehculo para un solo ocupante.

El VTH debe contar con 3 ruedas.

Relacin de cambios de 9 velocidades a 3.

El vehculo debe contar con un sistema de proteccin antivuelco que pueda mantener al piloto seguro ante posibles accidentes, volcado 90 respecto a la normal y totalmente invertido sin que el suelo toque el casco y/o alguna parte del cuerpo.

La barra de proteccin antivuelco no debe sobrepasar los 3,8 cm de deformacin elstica y no debe presentar deformacin plstica y carenado al chasis del vehculo.

Debe absorber suficiente energa en un accidente severo para minimizar el riesgo de lesiones.

Proveer una adecuada resistencia a la abrasin para protegerlo de resbalarse a lo largo del terreno.

El vehculo debe demostrar que puede detenerse a una velocidad de 25 Km/h a una distancia de 6 metros.

Demostrar estabilidad y que pueda girar en un radio de 0,8 m.

Viajar en una lnea recta por 30 metros a una velocidad de 5 a 8 Km/h (velocidad caminando rpido).

Contar con sistema de cinturones de hombros.

Imagen 1. Estructura Base

Imagen 2. Adaptacin de la silla

Imagen 3.Ensamble de la direccin a la estructura

e. Conceptos de desarrollo y mtodos de seleccin

Para la fabricacin del vehculo, se tuvieron en cuenta los resultados mostrados por las simulaciones para poder lograr un buen desempeo del vehculo y cumplir con los objetivos al mismo tiempo que con la norma.

Por otra parte, se tuvieron en cuenta alternativas de diseo en las que a continuacin se mostrarn las ventajas y desventajas presentadas.

Para el sistema de frenado se consideraron: freno de disco hidrulico y freno contra pedal. El freno de disco hidrulico como se muestra en la figura 1, presenta ventajas en cuanto a la vida til y en la eficacia de frenado en altas pendientes, pero a su vez presenta desventajas por el peso de los discos, adems que se pueden recalentar.

Figura 1. Sistema de freno de disco hidrulico. Tomado de: http://www.areabici.es/pinzadiscomaneta/1679-tektro-draco.html

Por otra parte, cada vehculo debe de tener un sistema de direccin lo suficientemente confiable para poder realizar sus curvas o giros sin perder la estabilidad y que la transferencia de masa no afecte en lo posible dicho giro. Para este vehculo se tuvieron en cuenta la posicin de la direccin que puede ser encima o debajo del asiento. Se eligi por debajo del asiento, aunque el ancho total del vehculo aumente, no representa complejidad de acuerdo con el diseo y evita fatiga para el conductor, en curvas muy pronunciadas o a lo largo de un extenso recorrido.

La ergonoma es un criterio fundamental para la elaboracin de un vehculo de traccin humana, ya que una posicin ergonmica, le ofrece al conductor una reduccin de la fatiga y una mayor maniobrabilidad, por tal motivo, el asiento del vehculo cuenta con una inclinacin de 35 con respecto a la normal.

Imagen 4. Asiento

El roll center se puede especificar como un eje imaginario cuyos puntos de unin son los centros especficos de balanceo de las geometras de la suspensin delantera y trasera, el cual conecta dinmicamente la masa suspendida y la no suspendida. La accin que cumple dicho eje es la de dar referencia a la posicin en donde el centro de gravedad hace momento con el eje, como se indica en la figura 3.

Figura 2. Roll center vs. centro de masa Fotografa tomada de diseo y construccin de la suspensin de un monoplaza formula sena eco

El centro de gravedad es el punto especfico resultante de la suma de todas las fuerzas gravitatorias producidas por la masa de un cuerpo en general, adems de producir momentos los cuales se anulan enter s para llevar el cuerpo al estado de reposo y cumplir con la primera ley de Newton como es mostrado en la figura 4. En el caso de los vehculos de carreras se busca que el centro de gravedad sea los ms bajo posible, esto es debido a que entre ms bajo se encuentre, ms estable ser el monoplaza.

Figura 3. Centro de gravedadTomado de: http://debates.coches.net/showthread.php?59660-carrera-autos-locos

La transferencia de masa ocurre cuando el vehculo vence la inercia y tiene un movimiento inminente como es mostrado en la figura 5, se presenta un cambio en el balance del mismo, este comportamiento se da en diferentes condiciones de manejo por lo cual la simetra de las fuerzas se distorsiona.

Figura 4. Transferencia de masa en curvaTomado de: http://tublogdelmotor.com/2014/07/04/transferencia-de-masas-o-pesos-que-es-eso/

La carga transferida lateralmente es un factor influyente, la cual es necesario conocer la velocidad mxima y la aceleracin en las curvas, como se muestra en la figura 6.

Figura 5. Transferencia de masa lateral

Para el sistema de direccin, se tuvo en cuenta la curva de Ackerman debido a la transferencia de masa que ocurre de una llanta a otra, pues la de menor radio tenga una menor trayectoria y la de mayor radio realice un mayor recorrido, como se muestra en la figura 7.

Figura 6. Direccin AckermanTomado de: http://www.circulaseguro.com/por-que-es-tan-peligroso-aparcar-mal/

El ngulo Camber est formado por la inclinacin lateral de las llantas respecto al eje vertical, si este se inclina hacia afuera es positivo y si se inclina hacia adentro es negativo como es mostrado en la figura 8.

Figura 7. Camber. Disponible en: http://www.tirerack.com/tires/tiretech/techpage.jsp?techid=4&ln=sp

El ngulo Caster, se ubica con la inclinacin respecto al eje vertical del eje de la llanta, un ngulo con inclinacin hacia la parte trasera de la llanta es positivo y hacia la parte delantera es negativo. Ajustar el ngulo Caster permite balancear el esfuerzo de la direccin, la estabilidad a velocidad elevada y la efectividad al tomar curvas.f. InnovacinPensando en la produccin en masa del vehculo se tuvo el problema de que ya que no es una produccin bajo un diseo personalizado, se vea que la distancia de los pedales no era la apropiada en comparacin a las diferentes alturas de los usuarios del vehculo. Investigando en las disciplinas de la ergonoma y de la antropometra se decidi proponer como innovacin instalar unos rieles bajo el silln, para as dejar la silla mvil, pudiendo aumentar la eficiencia del pedaleo.Adems de esto se fij el espaldar a cerca de 110 con respecto al silln, para aumentar la comodidad del pedaleo y evitar problemas lumbares, se cort el mismo con respecto al anterior y se aadi un soporte cervical.II. ANLISISa. Anlisis RPSEl sistema de proteccin RPS (Rollover Protection System) o sistema de proteccin antivuelco, es un sistema que vela por la integridad fsica del piloto, para ello se tienen previsto los parmetros que exige la norma ASME para vehculos de traccin humana los cuales son:

Absorber la suficiente energa en caso de un accidente severo para minimizar el riesgo de lesiones.

Prevenir significativamente el contacto corporal con el piso en el evento en el que el vehculo quede girado 90 o totalmente invertido segn corresponda.

Proveer una adecuada resistencia a la abrasin para evitar que la estructura se deslice en la pista.

La barra es aceptable si no hay indicacin de deformacin permanente y tampoco debe presentar agrietamientos

El sistema RPS del vehculo debe estar carenado al chasis.

Con estos parmetros, la norma ASME desarrollar unas pruebas, con el fin de verificar que se cumplan estas condiciones enfocadas en la proteccin del piloto. Por tal motivo, se realizaron simulaciones bajo las pruebas que a continuacin se muestran, las cuales realizar el comit ASME:

Carga superior de 2670 N a 12 desde la vertical a la barra superior.

Para la carga superior la barra debe presentar una deformacin menor a 5,1 cm.

Carga lateral de 1330 N.

La barra lateral debe presentar una deformacin menor a 3,8 cm

No presentar deformacin permanente ni contacto corporal con el piso.

b. Anlisis estructural

La figura 8 corresponde a la simulacin de la prueba de carga superior. La cual nos indica que la estructura va a soportar una carga de 155.77 MPa, estando por debajo de la resistencia ltima de acero AISI 1020 que es 250 MPa.

Figura 8. Simulacin prueba de carga superior.

Por otra parte la simulacin de la carga lateral mostrada en la figura 9, nos indica que la deformacin mxima presentada es de 2.2

Figura 9. Simulacin prueba de carga lateral.

c. Otros anlisis

Esttica:

El VTH se va a pintar con colores representativos de la universidad, negro y rojo para la tubera y accesorios. En cuanto a los cinturones de seguridad estos llevaran el color negro ya que la silla del conductor tendr el escudo de la universidad, de esta forma se harn notar.

Otro punto a tener en cuenta son los terminados de la soldadura que llevar el vehculo, en estos se tendr en cuenta que el cordn de soldadura no resulte con porosidad, salpicaduras, mordeduras o fisuras, lo ideal es buscar una soldadura de alta calidad e imagen con el inters de mostrar un vehculo de una esttica bastante sobresaliente.Puntos tenidos en cuenta en la parte esttica: Terminados en la soldadura. Color del cinturn de seguridad. Ergonoma y aspecto, en el momento de conducir, del competidor.

Relaciones de pedaleo y potencia:

Radio de la rueda=0.33mLongitud del pedal=0.175mVelocidad mxima con relacin de potencia medida:

Velocidad mxima con relacin de velocidad medida:

22DIENTES32DIENTES11DIENTES

32DIENTES32DIENTES

Relacin de mayor potencia:

Relacin de mayor velocidad:

Potencia rueda trasera con relacin de potencia:

Potencia rueda trasera con relacin de velocidad:

III. SEGURIDAD

a. Diseo para la seguridad

Para este punto tuvimos en cuenta las posibles fallas que podra tener el vehculo entre otras un posible volcamiento a una alta velocidad, que la parte de transmisin de potencia se falle o que se pinche alguna llanta del vehculo.

Teniendo en cuenta estos tems se pens en un antivuelco que soportara el golpe contra el asfalto y un cinturn que protegera al conductor de entrar en contacto con el asfalto. Para evitar que la transmisin falle, se colocaron unas guas en los piones, las cuales evitan el descarrilamiento de la cadena. Adems, se cuenta con llantas de repuestos en caso de una pinchada en cualquier llanta tanto trasera como delantera.

IV. CONCLUSIONESa. Evaluacin Se logr llevar a cabo una investigacin concreta acerca del diseo y fabricacin del VTH, de esta manera se pudo realizar en SolidWorksTM el diseo del prototipo de la estructura y por medio de ANSYS, se realizaron los estudios necesarios para determinar los esfuerzos que puede soportar el vehculo.

Se logr disear y fabricar un vehculo de traccin humana, para la competencia de HPVC Latin America 2015, que cumpliera con las exigencias ms importantes brindadas por la norma ASME.

Se logr disear un tipo de chasis innovador y que cumpliera con las normas ASME acorde con las dimensiones de los competidores para la competencia.

Se hicieron leves modificaciones al VTH durante la construccin y ensamblaje debido a fallas presentadas en estos procesos para la comodidad y eficiencia del vehculo.

Se realizaron pruebas previas a la competencia donde se comprobaba la eficiencia y la resistencia del VTH adicionando cargas de hasta 80 kg sin evidenciar falla o problema alguno mientras se desplazaba el vehculo.b. Recomendaciones El diseo de la suspensin del vehculo es la parte ms compleja en la construccin, para lo cual se debe tener cuenta que al introducir esta en el chasis este debe ser funcional y adems debe disminuir los esfuerzos que va a soportar el vehculo durante las competencias.

Los materiales que se utilicen en el vehculo deben ser los ms adecuados y de mejor calidad, basndonos en el presupuesto establecido para el acero utilizado en el chasis y las dems partes que componen el VTH.

El dibujo asistido por computador hecho en SolidWorksTM, el cul ser el que vamos a seguir para la construccin, cumple con todos los requisitos de diseo expuestos en las normas ASME, y ser necesario tener en cuenta factores externos que puedan influir en el vehculo cuando se realice la competencia.

Cuando se haga la compra del material tenemos que tener en cuenta que se debe optimizar al mximo la cantidad de acero a utilizar, para no generar gastos excedentes y que sobre material inutilizable, adems de agregar peso innecesario al vehculo, lo que disminuye su eficiencia.

Adquirir componentes de transmisin de la mejor calidad en el mercado para garantizar que el vehculo no presente fallas en ese aspecto que pueda perjudicarnos durante la competencia y se haga necesario cambiar alguno de estos componentes.

Es necesario que el vehculo tenga integrada una seccin que sea completamente innovadora y que adems de esto cumpla con alguna funcin que sea importante en el vehculo como tal.

Se debe tener en cuenta que en el proceso de planteamiento y fabricacin del VTH es importante aplicar ideas propias y no seguir un protocolo ya prestablecido en anteriores diseos, es decir, no es prudente limitarse a los diseos existentes en competencias anteriores.

Dentro del sistema de proteccin antivuelco con el que cuenta el vehculo, se sugiere aplicar un recubrimiento con cinta antideslizante, para evitar que en caso de accidente estando el vehculo girado 90 o totalmente invertido reduzca el riesgo de deslizarse a lo largo de la pista.