Contenido I.
INTRODUCCIÓN....................................................................... ...................................... 3
II.
OBJETIVOS............... OBJETIVOS............................................................... ....................................................................................... ...................................................... ............... 3
1. DIMENS DIMENS IONAMIE IONAMIE NTO DEL MARCO MARCO ............................................................................. ....................................... ...................................... 4 2. DISEÑO INICIAL ........................................... .......................................................................................... .................................................................. ................... 7
3.
ANÁLIS ANÁLISIS IS DE RESISTENCIA EN EL MARCO MARCO......................................... ............................................................... ...................... 9
3.1 PRIMER ESTADO DE CARGA........................................................................................ 9 3.1.1 Descripción del problema físico .................................................................................... 9 3.1.2 Simplificaciones Sim plificaciones ........................................... .......................................................................................... ................................................................ ................. 10 10 3.1.3 Contactos..................................................................................................................... 10 3.1.3 Discretización del Continuo......................................................................................... 10 3.1.4 Análisis Análisis de Convergencia Convergenc ia ........................................... ........................................................................................... .................................................. 16 3.1.5 Visualización de Resultados ....................................................................................... 17 3.2 SEGUNDO ESTADO ES TADO DE CARGA ................................................................ ................. 18 3.2.1 Discretización del Continuo......................................................................................... 19 3.2.3 Análisis de Convergencia ........................................... ........................................................................................... .................................................. 21
4.
ANÁLIS ANÁLISIS IS DE RESULTADOS........................... RESULTADOS.................................................................. ............................................................ ..................... 22
5. DISEÑO DE ARTICULAC ARTICULACION IONES ES ................................................ .................................................................................. .................................. 24 5.1 Articulación 1 y 2 ............................................................................................................ 24 5.2 Articulación 2 y 3 ............................................................................................................ 26 5.3 Articulaciones del manubrio ........................................................................................... 27
6. SELECCI SELECC IÓN DE COMPONENTES COMPONENTES ............................................ .............................................................................. .................................. 28 6.1 Frenos ................................................ ............................................................................................... ............................................................................. .............................. 28 6.2 Neumáticos ............................................... ............................................................................................... ...................................................................... ...................... 29 6.3 Sillín y Mangos ............................................................................................................... 30 1
6.4 Conjunto Plato Pla to - Biela ........................................... ........................................................................................... ......................................................... ......... 31 6.5 Cadena ........................................................................................................................... 32 6.6 Manzanas .................................................................... .................................................. . 33 6.7 Pedales ................................................................................... ........................................ 33 6.8 Manubrio y espiga ......................................... ........................................................................................ ................................................................ ................. 33
7. Apartado Com ercial .......................................... .......................................................................................... ................................................................ ................ 34 34 7.1 Identidad del de l producto ........................................... ........................................................................................... ......................................................... ......... 34 7.1 Nicho Nicho de Mercado .......................................... ................................................ ................................................................ ................ 35 7.2 Introducción al mercado m ercado ........................................ ........................................................................................ ......................................................... ......... 35
8. Bibliografía ............................................................................... ......................................... 37
2
6.4 Conjunto Plato Pla to - Biela ........................................... ........................................................................................... ......................................................... ......... 31 6.5 Cadena ........................................................................................................................... 32 6.6 Manzanas .................................................................... .................................................. . 33 6.7 Pedales ................................................................................... ........................................ 33 6.8 Manubrio y espiga ......................................... ........................................................................................ ................................................................ ................. 33
7. Apartado Com ercial .......................................... .......................................................................................... ................................................................ ................ 34 34 7.1 Identidad del de l producto ........................................... ........................................................................................... ......................................................... ......... 34 7.1 Nicho Nicho de Mercado .......................................... ................................................ ................................................................ ................ 35 7.2 Introducción al mercado m ercado ........................................ ........................................................................................ ......................................................... ......... 35
8. Bibliografía ............................................................................... ......................................... 37
2
I. INTRODUCCIÓN Las máquinas son una invención del hombre para hacer la vida más sencilla. Estas han liberado al ser humano de la aplicación de la fuerza bruta por medio de un uso racional y eficiente de la energía. El diseño de máquinas m áquinas es es una disciplina disc iplina que combina conceptos de varias ciencias para ponerlos al servicio de la creatividad del ser humano, creando máquinas que automatizan tareas demasiado tediosas, repetitivas, difíciles o peligrosas para ser desempeñadas por un ser humano. El trabajo de un ingeniero mecánico es crear diseños que satisfagan una necesidad y sean viables económica, ambiental y tecnológicamente. Uno de los más grandes desafíos desafíos en las sociedades modernas es la organizac organización ión de sistemas de transporte ambientalmente amigables y eficientes para las grandes aglomeraciones urbanas. Los numerosos problemas de movilidad en las ciudades ocasionados por la masificación mas ificación descontrolada del del vehículo vehículo particular y la creciente demanda de servicios de transporte en zonas densamente pobladas, han puesto los ojos del mundo en la promoción promoc ión de de los sistemas transporte alternativos, alternativos, siendo s iendo la bicicleta bicic leta uno uno de ellos. El presente trabajo es el reporte del proceso proces o de diseño de una bicicleta bicicleta portátil, continuación c ontinuación de la primera entrega de selección de alternativa de diseño. Se detallan los pasos de dimensionamiento y diseño de la geometría del marco de la bicicleta y la selección de componentes com ponentes y materiales para las partes acc accesorias. esorias. Se hacen análisis análisis de resistencia res istencia de materiales para asegurar el correcto funcionamiento de la bicicleta para las condiciones de uso determinadas. Con el trabajo s e adjuntan adjuntan los planos de los componentes de la bicicleta.
II. OBJETIVOS General:
Seguimiento del proceso detallado de diseño de una bicicleta portable, con énfasis en la descripción de las diferentes etapas del proceso. Es p ecífi co s :
Dimensionamiento Dimens ionamiento de la bicicleta Análisis Análisis de resistencia resis tencia de la geometría seleccionada selecc ionada Diseño de articulaciones Selección de partes partes comerciales comerciales
3
1. DIMENSIONAMIENTO DEL MARCO Durante el proceso de diseño del marco de la bicicleta, se buscaron consideraciones apropiadas para el dimensionamiento del marco, de acuerdo a la anatomía del usuario final y condiciones de portabilidad. Se encontraron diferentes tablas que relacionan dimens iones anatómicas con el tamaño ideal del m arco para diferentes tipos de bicicleta. En la siguiente tabla se muestran tamaños sugeridos de marco con respecto a la estatura y tiro de la entrepierna (medida desde la ingle hasta los tobillos), para bicicletas todoterreno comunes [1]:
Tabla 1. Tamaño sugerido de Marco
La región delimitada por el rectángulo rojo representa el rango de estaturas objetivo para la bicicleta a diseñar (161 cm a 175 cm). Este intervalo cubre la estatura promedio para hombres y mujeres en Colombia. En esta zona, se ve como el tamaño de marco (Frame size) sugerido está entre 15 y 18 pulgadas. En la siguiente imagen se muestra la ubicación de la medida
. Fig. 1. Ubicación de la medida de tamaño de marco 4
De la anterior imagen, vemos como la distancia entre el sillín en posición normal y el eje de los pedales es el tamaño de marco más la medida del tubo del sillín, que representa aproximadamente la quinta parte del tamaño de marco para la imagen mostrada. Debido a las características de portabilidad de la bicicleta a diseñar, es necesario garantizar un tamaño de marco lo más pequeño posible. Por lo tanto, para reducir el tamaño de marco sin afectar la medida principal de funcionamiento, que es la distancia entre el sillín en posición normal y el eje de los pedales, se hará un tubo de sillín mucho más largo que en las bicicletas convencionales. Como medida de trabajo se asumirá una distancia del sillín en posic ión normal al eje de los pedales de 30 pulgadas, teniendo en cuenta las 18 pulgadas del tamaño de marco recomendado y 12 pulgadas adicionales de lo que s ería la longitud del tubo del sillín en una bicicleta convencional. Para la selección del tamaño de las ruedas de la bicicleta, se debe tener en cuenta el equilibrio entre tamaño y eficiencia al pedaleo. Una rueda de diámetro muy pequeño será compacta pero presentará mayor resistencia al avance con respecto a una de diámetro mayor. Conforme a este principio y a la norma ISO 5775 para las llantas de bicicleta [2], se escogen llantas de 16 pulgadas de diámetro, el diámetro comercial más usado en bicicletas plegables. Para la determinación del resto de dimensiones de la bicicleta, es necesario explicar el proceso de plegado del marco, el cual consta de dos pasos:
Retracción del tubo sup erior: El
tubo superior está compuesto por dos partes, una desliza sobre la otra para reducir las dimensiones de la bicicleta.
Doblado del m arco:
Una vez retraído el tubo superior, se dobla el marco en torno a un eje, de forma que las dos ruedas se superpongan.
Siguiendo este principio de doblado, para asegurar que las ruedas se superpongan al estar la bicicleta plegada, el tubo superior debe retraerse una longitud es pecífica. Se definió que el tubo superior se retraerá 3/8 de la longitud total. Con las longitudes de diseño ya establecidas y esta condición, se empezó a dimensionar la bicicleta de tal forma que el eje de revolución de plegado de la bicicleta coincida con el tubo de asiento. El eje de revolución de plegado corresponde a la recta perpendicular que pasa por el punto medio de la recta que une a las dos ruedas cuando el tubo superior de la bicicleta se encuentra contraído. Este dimensionamiento se efectuó por medio de un proceso de síntesis iterativo, y se obtuvieron las medidas preliminares para la estructura general de la bicicleta, como se puede observar en la siguiente imagen.
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Fig. 2. Dimensiones generales de la bicicleta en mm.
En la siguiente imagen se muestra la bicicleta con el tubo superior retraído. Se puede observar que el eje de giro anteriormente descrito cumple la condición deseada.
Fig. 3. Bicicleta con el eje superior retraído (medidas en mm).
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2. DISEÑO INICIAL Después de tener las dimensiones generales de la bicicleta, obtenidas durante la síntesis anteriormente expuesta, se procede al diseño de la estructura general de la bicicleta, la cual está compuesta por el marco, el tenedor y el tubo que soporta el asiento Para obtener un plegado de mayor ajuste, se optó por que el sistema de sujeción de las ruedas sea de tipo lefty, es decir, solo se sostengan por un lado, diferente a un tenedor de bicicleta convencional. El marco está compuesto por tres partes: Parte 1: Se refiere a la parte del tubo superior que sostiene el tenedor. Esta parte se desliza
al interior de la parte 2 al mom ento de plegar la bicicleta, ya que estas dos partes conforman un conjunto telescópico.
Parte 2 : Esta parte va ensamblada con las partes 3 y 1. Esta parte rota con respecto a la
parte 3 para el plegado de la bicicleta.
Parte 3: Esta parte soporta la llanta trasera y el tubo del asiento. En esta pieza se
encuentra el eje de rotación para el plegado de la bicicleta.
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Tenedor : Parte del marco que sostiene la rueda frontal
Con el fin de comprobar la resistencia mecánica del diseño del marco durante su uso normal, se hará un análisis por elementos finitos del ensamble sometido a cargas específicas.
Fig. 4. Marco ensamblado. 8
3. ANÁLISIS DE RESISTENCIA EN EL MARCO Durante el proceso de diseño del marco, se utilizó el método de los elementos finitos, para determinar su resistencia ante condiciones de trabajo específicas, por medio del software ANSYS. Para este análisis se siguió el flujo de trabajo convencional de pre procesamiento, procesamiento y post-procesamiento para detallar las diferentes etapas del proceso. Se sometió el ensamble de las partes del marco a dos pruebas, correspondientes a diferentes estados de uso, extraídos de la literatura existente para el diseño de marcos de bicicleta:
El primer estado es el de una carga vertical en el asiento de 2400 N, basado en un caso extremo para la situación de un ciclista sentado. El segundo estado de carga corresponde al escenario hipotético del ciclista pedaleando parado en los pedales, con la carga concentrada en el pedal derecho, cargas de resistencia del aire y cargas en los extremos del manubrio.
3.1 PRIMER ESTADO DE CARGA 3.1.1 Descripción del problema físico Los dos estados de carga que fueron analizados corresponden a los extremos de uso planteados por Maestrelli y Falsini (2008), utilizados por Covill y Begg (2014) en el estudio de análisis por elementos finitos para diferentes geometrías de marcos de bicicleta [3]. En el primer caso, se hace el análisis para una persona sentada en el sillín, con una carga completamente vertical de 2400 N. En la imagen se muestra el estado de carga analizado.
Fig. 5. Estado de carga 1.
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En la geometría analizada, diferente a la de la literatura, se optó por situar las reacciones en la mitad superior de los agujeros que sostienen las dos ruedas.
3.1.2 Simplificaciones Para la resolución del problema, se considerarán las siguientes simplificaciones:
Análisis estático
Conservación de la energía mecánica (no se considerarán efectos térmicos)
Material elástico, homogéneo, isotrópico y lineal.
3.1.3 Contactos El ensamble del marco consta de cinco piezas, unidas por cuatro regiones de contacto. Para un correcto análisis es necesario determinar el tipo de contacto adecuado para cada unión, teniendo en cuenta sus características y comportamiento mecánico en el uso normal de la bicicleta.
Contacto 1: Unión de la pieza 1 con el tenedor. En este contacto, se utilizó del tipo sin fricción, ya que se debe tener en cuenta la posibilidad de movimiento del manubrio, en torno a un eje, con el fin de darle dirección a la bicicleta. Este tipo de contacto permite el movimiento relativo entre superficies, pues asume un coeficiente de fricción de 0. Contacto 2: Unión de la pieza 1 con la pieza 2 . En este caso se utilizó un contacto tipo bonded. Estas dos piezas no presentan movimiento relativo entre ellas, y en caso de una deformación, las dos piezas se deformarán juntas, sin existir separación entre ellas. Contacto 3: Unión de la pieza 2 con la pieza 3 . En estado normal de funcionamiento, la parte 2 no debe girar con respecto a la 3. Con el fin de satisfacer esta exigencia, se utilizó un contacto Rough, el cual no permite el movimiento relativo entre superficies (coeficiente de fricción infinito), pero si permite el desprendimiento de las superficies cuando están sometidas a cargas lo suficientemente altas.
3.1.3 Discretización del Continuo Durante el análisis del sistema por el método de elementos finitos, se decidió usar la herramienta del análisis de convergencia para tener un nivel aceptable de certeza sobre los resultados obtenidos. De esta forma, se realizaron mallados paulatinamente más refinados, hasta obtener una variación mínima en el resultado del esfuerzo máximo de Von mises, que se utilizó como marco de referencia para el análisis de convergencia. 10
Se hicieron 4 simulaciones antes de llegar a un resultado aceptable. Se desc ribirá cada una de las mallas elaboradas durante el proceso.
Malla 1 Inicialmente, se inició con el mallado automático de ansys, solamente modificando el parámetro de sizing. En esta primera simulación, se utilizó el mismo tipo de malla y tamaño de elemento en todo el ensamble, con el fin de observar el comportamiento general del ensamble y determinar las zonas de interés para los análisis siguientes. Los elementos asignados por el software son del tipo hexagonal, con un tamaño mínimo de 6 mm. A continuación se muestran los detalles de la malla obtenida.
En los resultados de la simulación, se observa que los mayores esfuerzos se encuentran en el tubo del sillín y la parte trasera del marco.
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Fig. 5. Esfuerzos resultantes (estado de carga 1, malla 1).
Malla 2 Esta segunda malla se hizo con el fin de verificar la ubicación de los valores de esfuerzo y deformación en el marco, y la variación en su ubicación al usar un tamaño de elemento menor al de la malla 1. Se usó el mismo tipo de mallado que en el caso anterior, igual para todo el ensamble, únicamente modificando el tamaño de elemento, con un mínimo de 5 y un máximo de 7 milímetros. Los detalles de la malla obtenida se dan en la siguiente imagen.
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La distribución de los esfuerzos fue igual al caso de la malla 1, afirmando el tubo del sillín y el soporte trasero como zonas de interés para las siguientes simulaciones.
Malla 3 En este mallado se modificó el parámetro de relevancia de la malla, elevándolo a 100. El resto de parámetros generales se dejaron igual a la malla 2.
La principal modificación en este caso fue el refinamiento de la malla en los sectores de mayor interés, esto es, en el agujero de sujeción del marco con la rueda trasera y el tubo del sillín
El uso de esta herramienta, permitió una malla mucho más fina en estas zonas de interés, como se puede apreciar en las siguientes figuras:
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Figs. 6 y 7. Refinamientos en los puntos de mayor esfuerzo.
Con este refinamiento, el número de elementos de la malla se incrementó considerablemente con respecto a las mallas 1 y 2.
Malla 4 Para esta malla, se modificaron tres parámetros. Se aumentó la intensidad del suavizado de malla (mesh smoothing), con el fin de tener una malla más lisa, con una correspondencia más precisa a la geometría real. También se modificó el parámetro de transición por una suave, para que los cambios en el tamaño de los elementos fueran menos bruscos. Por último se cambiaron los tamaños máximos y mínimos de los elementos para la zona general del ensamble. A continuación se ven los detalles de la malla 4.
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En el refinamiento de la parte trasera, se disminuyó el tamaño de los elementos.
Fig.8. Refinamiento en el apoyo trasero.
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3.1.4 Análisis de Convergencia Se recopilaron datos de las simulaciones llevadas a cabo, con el fin de verificar una tendencia a la estabilidad o convergencia del análisis, tomando como dato de referencia el esfuerzo máximo de Von Mises, un criterio válido para materiales dúctiles como la aleación de aluminio utilizada. Se tomó como valido el resultado de la cuarta simulación, en la que el valor del esfuerzo presento una variación de 4,2% respecto a la simulación anterior. En la siguiente tabla se muestran los resultados para las 4 simulaciones.
Malla
Número de elementos
Calidad Prom edio Deformación Esfue rzo Máximo de Von Factor d e Se guridad Variación del de los elem entos máxima (mm ) Mises (Mpa) Mínimo Esfue rzo Máximo (%)
1
58447
0,777
15,15
211,01
1,308
-NA-
2
85040
0,816
14,966
283,57
0,973
34,386
3
128961
0,781
14,998
558,99
0,493
97,125
4
154033
0,785
15,011
582,63
0,4737
4,229
Análisis de Convergencia Primer estado de carga 700 582,63
600 ) 500 a p M ( o 400 m i x á 300 m o z r e 200 u f s E
558,99
283,57 211,01
100 0 58447
85040
128961
154033
Número de elementos
16
3.1.5 Visualización de Resultados Se muestran resultados para la simulación definitiva del primer estado de carga. Posteriormente se hará un análisis global de resultados.
Fig. 9 Defor m ación total (Estado de carga 1)
Fig. 10 Esfuer zo m áximo de V on Mises (Estado de carga 1)
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Fig. 11 Factor de s egur idad (Estado de carga 1)
Fig.12 Regione s con Factor de Seguridad m enor a 1 (Estado de carga 1)
3.2 SEGUNDO ESTADO DE CARGA El segundo estado de carga se obtuvo de la misma fuente citada anteriormente. En este caso, se simula a un usuario parado en los pedales, con el peso concentrado en el pedal derecho y cargas en el manubrio.
18
Fig.13 Est ado de carga 2
En el caso de la geometría analizada, al no tener el manubrio instalado, se pusieron momentos equivalentes a las fuerzas del modelo a la distancia que se prevé estarán los mangos del eje del tenedor. En el análisis de este estado de carga se utilizaron las mismas simplificaciones y contactos que en el primer estado de carga, por lo que se pasará directamente a la explicación de la etapa de Discretización del ensamble.
3.2.1 Discretización del Continuo Se siguió la misma estrategia de mallado anterior, iniciando con mallas más burdas y refinando el modelo de acuerdo a el comportamiento mecánico en el estado de carga en cuestión, tratando de lograr una convergencia aceptable. Se describirá cada mallado
Malla 1 Como malla 1, se utilizó la herramienta de mallado automático del Ansys, obteniendo exactamente la misma malla 1 del estado de carga 1, con un mallado uniforme en todo el ensamble. Esto con el fin de ver el comportamiento del marco ante la carga y determinar puntos de interés para los siguientes mallados.
Malla 2 Para esta malla se usó el mismo sizing para todo el ensamble, modificando únicamente el tamaño de los elementos, con un mínimo de 5 y un m áximo de 7. Se obtuvo una malla casi idéntica a la malla 2 del estado de carga 1.
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Malla 3 En este mallado se modificó el parámetro de relevancia de la malla, elevándolo a 100. El resto de parámetros se dejaron igual a la malla 2. La estrategia de mallado fue muy similar a la de la malla 3 para el estado de carga 1. La diferencia es que en este caso se aplicó un tamaño de malla de 3 mm para la superficie mostrada en la imagen, zona de interés para el estado de carga actual.
Fig.14 Zona de aplicación de m es h sizing (Malla 3, estado de carga 2)
Malla 4 Para la malla 4, se modificó el proximity min size, dejándolo en 4 mm. También se cambió el tamaño de elemento de la parte mostrada en la malla anterior, disminuyéndolo a 2 mm. En la siguiente tabla se muestran los principales ítems de la malla 4.
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3.2.3 Análisis de Convergencia
Se siguió el mismo procedimiento que en el estado de carga anterior para el análisis de convergencia. El análisis de convergencia finalizó con la cuarta simulación, en el cual el valor del esfuerzo presentó una variación de 13,95% respecto a la simulación anterior. En este caso, se aceptó una variación mayor al 10%, ya que de acuerdo a los resultados obtenidos, el estado de carga crítico es el 1, con esfuerzos máximos en puntos similares al estado de carga 2. Otro factor que influyó en esta decisión fue que se consideró que el número de elementos de la malla 4 es elevado, y un refinamiento en la malla conllevaría un costo computacional alto en comparación al aumento potencial en la precisión de los resultados, que por las razones expuestas anteriormente serían de menor relevancia que los obtenidos en el estado de carga 1. En la siguiente tabla se muestran los resultados para las 4 simulaciones.
Malla
Número de elementos
Calidad Prom edio Deformación Esfue rzo Máximo de Von Factor d e Se guridad Variación del de los elem entos máxima (mm ) Mises (Mpa) Mínimo Esfue rzo Máximo (%)
1
58447
0,777
6,18
117,04
2.358
-NA-
2
85064
0,816
6,17
151,97
1,816
29,8
3
120405
0,812
6,20
215,69
1,2796
29,54
4
284840
0,831
6,21
250,66
1,1011
13,95
21
Análisis de Convergencia Segundo estado de carga 300
) a p M ( o m i x á M o z r e u f s E
250,66
250 215,69
200 151,97
150 117,04
100 50 0 58447
85064
120405
284840
Número de Elementos
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS De los análisis de previamente desarrollados, se determinó que la bicicleta falla bajo las condiciones del primer estado de carga. Los resultados muestran como en la zona del soporte ubicada en el orificio para sostener la rueda trasera, existen fragmentos de material con un factor de seguridad inferior a 1, por lo cual fue necesario modificar el diseño en esta zona, ya que se deseaba conservar el material de construcción debido a sus características óptimas de peso y maquinabilidad, deseables en el producto final. Se modificaron las partes trasera y delantera del marco eliminando los agujeros que funcionaban como concentradores de esfuerzos. Para ello, fue necesario modificar el sistema de sujeción de las ruedas de la bicicleta, cambiándolo por el propio de las bicicletas tipo lefty. Este en lugar de un agujero, tiene un brazo macizo en el cual encajan las manzanas tipo lefty. Con esta modificación, se refuerza la parte trasera del marco y se adapta el marco correctamente a la aplicación deseada.
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Fig.15 Modificación del sopor te de la rue da tras er a
Se realizó una simulación del estado de carga 1 para la geometría modificada del marco, con una malla de mayor calidad a las definitivas en análisis previos, para brindar un marco de comparación válido a los resultados entre simulaciones.
En la verificación del factor de seguridad, se observa como la modificación a la geometría subió el factor de seguridad en la zona crítica, dejándolo por encima de 1.
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Fig.16 Factor de seg uridad con geom etr ía m odificada
De esta manera, podemos confirmar que el rediseño fue exitoso para los estados de carga simulados. Sin embargo, es necesario aclarar que estos estados de carga se basaron en operación normal, sin tener en cuenta posibles impactos de la bicicleta contra el suelo durante su operación (saltos) y que generan cargas mayores a las fuerzas simuladas. Por lo tanto, se hará una restricción al peso máximo que debe llevar la bicicleta, con el fin de determinar un margen de seguridad mayor para el usuario. Como decisión del equipo de diseño, teniendo como marco de referencia el equivalente de 240 kilos en el estado de carga 1 simulado, se decidió que el peso máximo recomendado será de 110 Kg. Con la estructura básica del marco definida, se procede al diseño de articulaciones, componentes esenciales del mecanismo de plegado.
5. DISEÑO DE ARTICULACIONES Las piezas del marco requieren de conectores que las mantengan ensambladas. Para ello, se diseñaron cuatro articulaciones: la unión de las piezas 2 y 3, la de las piezas 1 y 2 y las 2 articulaciones del manubrio.
5.1 Articulación 1 y 2 Para esta articulación, se requiere un mecanismo que permita ajustar dos tubos concéntricos en posiciones fijas. Durante el diseño, se usó como inspiración el mecanismo de ajuste de algunos modelos de muletas, que consta de resortes que empujan pines hacia afuera en agujeros hechos en las posiciones deseadas, creando un bloqueo al deslizamiento entre los tubos.
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Fig.18 Me canismo utilizado en muletas.
Para el diseño de los pines, se asum irá que el esfuerzo al que están sometidos es cortante puro, debido al efecto físico que tiene la tendencia al deslizamiento sobre el pin. Para determinar el estimado de la fuerza cortante, se utilizó como referencia el estado de cargas obtenido por Lessard, Nemes y Lizotte (1995) [4], para un marco de bicicleta durante un sprint intenso.
Fig.19 Estado de carga de referencia.
Con estas fuerzas como referencia, supondremos que en algún momento crítico el pin estará sometido a una fuerza cortante total de 2000 N. Haremos el cálculo del diámetro mínimo del pin, fabricándolo con aluminio 6061 (resistencia máxima a la cortante: 207 Mpa [5]). Tenemos que:
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Para tener esta área
= í = (2072000)(10) =9.66 (10) í =2√ (2072000)(10) = 3.5
Así, determinamos que el diámetro mínimo de un solo pin para resistir la cortante es de 3.5 mm.
Fig.20 Articulación entr e pie zas 1 y 2.
5.2 Articulación 2 y 3 Para estas dos piezas, se usará un sistema similar de pasador –resorte, con la diferencia de que en este caso el resorte se accionará desde el exterior de la bicicleta. Como material de este pasador se usará acero AISI 1040, con una resistencia máxima a la cortante de aproximadamente 393 Mpa [6]. Se usará un pin de 6 mm de diámetro. Procederemos a calcular la fuerza cortante máxima soportada por este pin.
á =393(10)()(0.003) = 11111.8
Esta fuerza se considera muy superior a c ualquier condición normal de uso, como se puede apreciar en los estados de carga experimentales consultados anteriormente, por lo que se considera que el pin seleccionado cumplirá con su función correctamente.
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Fig.21 Articulación entr e pie zas 2 y 3.
5.3 Articulaciones del manubrio
El manubrio consta de dos articulaciones: una para plegar el eje central y otra para perm itir al manubrio girar en torno al eje central. Para la primera articulación se usó un sistema tipo bisagra convencional.
Fig.22 Articulación tipo bisagra de l manubr io
La segunda articulación permite al m anubrio girar con libertad en torno al eje central, con el fin de proporcionar un plegado final más compacto. Para esta función se adaptaron mordazas para bicicletas comerciales, que desaseguran el manubrio cuando este se pliega.
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Fig.23 Segund a articulación del m anubrio
6. SELECCIÓN DE COMPONENTES Una vez finalizado el marco, se procede a hacer una selección de los diferentes componentes comerciales a utilizar en el diseño final. Estos elementos se eligen teniendo en cuenta los parámetros geométricos y las características estéticas deseadas en el producto final.
6.1 Frenos En la selección de el tipo de sistema de frenos para la bicicleta se tuvieron en cuenta las características del marco, cuyo diseño plantea que las ruedas sean sostenidas por un solo lado. Esta característica impide la instalación de sistemas de frenos convencionales de llanta como los cantilever o de pinza, ya que estos requieren de sosten en dos puntos. Por lo tanto, se optó por frenos de disco mecánicos, que son comerciales, no requieren modificación y presentan una alta potencia de frenado y prolongada vida util. Los sistemas frenos de disco constan de diversas partes disponibles comercialmente. Para la implementación en la bicicleta , se selecciona el Vktech® Disc Brake Set, que contiene las siguientes partes:
2 Discos de Frenado
2 Pinzas para freno de disco
2 Palancas de frenado
Cable para freno
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Características del producto:
Material
Diámetro de disco
Aluminio Ajuste por alcance de palanca de freno, disco mecánico 160 mm
Precio
38 USD/ 90000 COP
Ajuste
Fig.24 . Vktech Brake set
6.2 Neumáticos Como se expuso anteriormente, las se escogieron llantas de 16 pulgadas de diámetro, la dimensión más común en bicicletas plegables, debido a la buena relación tamaño / resistencia al avance. Se selecciona un neumático Kenda K909A Smooth Wire Bead, fabricado por Michelin . Este neumático es liso, apropiado para el uso en áreas urbanas, con un acabado ideal para la bicicleta diseñada. El costo es de 26 dólares (aproximadamente 62400 COP) para el par de neumáticos.
Fig.25. Kenda K909A, Neumático de 16 pulgadas.
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6.3 Sillín y Mangos
Se buscó que el sillín y los mangos tuvieran una apariencia acorde a la línea de diseño de la bicicleta. El sillín escogido fue el MTB GW, fabricado por la empresa colombiana GW. En la siguiente imagen se muestran algunas de sus características:
El tubo del sillín será un tubo de aluminio 6061- T6, de la referencia TC0979, fabricado por la marca local alumina. Este tiene un espesor de pared de 4 mm y un diámetro de 22.2 mm.
Los mangos para el manubrio de la bicicleta son GW, de la referencia Lock On:
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6.4 Conjunto Plato - Biela Originalmente se decidió utilizar una transmisión estándar sin cambios, debido a las características de uso urbano de la bicicleta. Sin embargo, debido a las características geográficas de la ciudad, se decidió crear las dos alternativas, una línea con cambios y otra sin cambios. Para la transmisión sin cambios se escogió un sistema plato-biela Retrospec de las siguientes características
Material Longitud de la Biela BCD (Bolt Circle Diameter) Precio
Aluminio 165 mm 151 mm 30 USD/ 69000 COP
Fig.26. Conjunto Plato- Biela Retrospec.
En el caso de la transmisión con cambios, el conjunto elegido es un Shim ano Altus FCM311 7/8 Speed Crankset con las siguientes características.
Material Longitud de la Biela Relación de engranajes Precio
Aluminio 170 mm 42-222-2 35 USD/ 80500 COP
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Fig.27. Conjunto Plato-biela Shimano Atlus.
Para la versión con cambios, se utiliza el tensor Shimano Altus 7/8-speed RD-M310, compatible con el conjunto plato-biela descrito anteriormente.
Fig.28. Tensor Shimano Atlus.
6.5 Cadena Las cadenas a utilizar son cadenas comunes KMC Z410, en sus dos versiones de transmisión de una y múltiples velocidades. Estas cadenas tienen un costo de aproximadamente 18000 pesos
Fig.29. Cadena KMC Z410, (modelo de una velocidad).
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6.6 Manzanas Se usarán manzanas lefty IS de la marca Cannondale. Estas son especiales para el tipo de sujeción usado en el diseño implementado.
Fig.30. Manzana Lefty IS Cannondale
6.7 Pedales Se buscan pedales abatibles, apropiados para bicicletas plegables. El pedal seleccionado fue el Eleven81 Folding 9/16" Pedal Aly/Resin, de la marca Eleven81. Su tamaño de 9/ 16 pulgadas, y el peso de 426 gramos por par, la hacen una buena alternativa para nuestro diseño. El precio es de 15 dólares por par (aproximadamente 34500 COP).
Fig.29 . Folding 9/16” de Eleven81 .
6.8 Manubrio y espiga El manubrio escogido es de la marca Race Face, referencia Riser. Este tiene un ancho de 660 mm y un elevación de ¾ de pulgada, especial para bicicletas de BMX.
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Fig.30 . Manubrio Race Face Riser.
Para la espiga se optó por una del modelo Origin8 Pro Fit Ergo Stem, fabricada en la aleación aluminio 6061 T6
Fig.31 . Origin8 Pro Fit Ergo stem.
7 . Apartado Comercial El producto diseñado representa una nueva alternativa en el creciente del transporte alternativo. Por lo tanto, se hará una breve descripción de la componente comercial pensada para el diseño desarrollado, donde se determinan variables como los clientes objetivo y las estrategias de introducción al mercado de la bicicleta.
7.1 Identidad del producto El logo del producto hará referencia a la sensación de libertad y salud que brinda desprenderse del caótico tráfico de las ciudades a hora pico. Estas cualidades se englobarán en el término Fluidez, que será la parte central de la identidad del producto, en torno a lo cual se generará una imagen.
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A continuación se muestran dos logos ya existentes [7], que son una muestra de la estética que se busca transmitir al cliente (no la imagen de la empresa). En nuestro producto, la fluidez y la vida urbana convergen para brindar una experiencia que mejora la calidad de vida
7.1 Nicho de Mercado La bicicleta es un producto dirigido a personas de ambos sexos, de los 17 a los 60 años, de los estratos 3 al 6 situadas en zonas urbanas y suburbanas de Colombia, que buscan una alternativa a los evidentes problemas de movilidad y contaminación que sufren las ciudades densamente pobladas a causa del uso de los medios de transporte privados alimentados por hidrocarburos. Nuestros clientes son personas conscientes de la importancia del cuidado del medio ambiente y de la salud personal. Son personas activas, que desean ser parte de la solución y no del grave problema que deteriora la calidad de vida en las ciudades. Este grupo de personas da prioridad al bienestar colectivo, y creen en el transporte público y la bicicleta como medios poderosos de transformación urbanística.
7.2 Introducción al mercado El producto tendrá una campaña de promoción por medio de varios medios, enfocados principalmente en internet: redes sociales y publicidad en diversos sitios de noticias, salud y tecnología. Esta elección se toma debido al conocimiento que tienen los clientes modernos del mundo digital y su capacidad para identificar opc iones novedosas, que salgan del estándar común impuesto en medios como la televisión y la radio. También se buscará la presencia física por medio de vallas en la calle y anuncio en los sistemas de transporte masivo y gimnasios de la ciudad. La bicicleta tendrá un precio de lanzamiento al mercado de alrededor de 1,200.000 pesos, brindándole al cliente la posibilidad de escoger entre varias opciones de color y enfocándose en un servicio posventa del más alto nivel, con un servicio de garantías responsable y eficiente.
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Fig.32. Algunos modelos de colores potenciales para el producto.
Fig.33. Bicicleta en su posición plegada .
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