Vth

DISEÑO DE UN VEHÍCULO DE TRACCIÓN HUMANA (VTH) AJUSTABLE

David Wolf Roa Edwin Yeison Romero Vargas Laura Melissa Agudo Canasteros Oscar David Cruz Bustos

Universidad ECCI Facultad de Ingeniería, Ingeniería Mecánica Bogotá, Colombia 2017

DISEÑO DE UN VEHÍCULO DE TRACCIÓN HUMANA (VTH) AJUSTABLE

David Wolf Roa - 17909 Edwin Yeison Romero Vargas - 08496 Laura Melissa Agudo Canasteros - 23114 Oscar David Cruz Bustos - 19586

Proyecto presentado como requisito para la materia: Diseño de Máquinas I

Profesor: Ing. Jaime Peña Hernandez Ingeniero Mecánico

Línea de Investigación: Diseño

Universidad ECCI Facultad de Ingeniería, Ingniería Mecánica Bogotá, Colombia 2017

Resumen y Abstract

V

Resumen A lo largo de los años los Vehículos de Tracción Humana (VTH por sus siglas) se han caracterizado por ser vehículos rápidos y seguros, construidos en su mayoría para adultos. Este trabajo tiene como objetivo el diseño de un vehículo impulsado por potencia humana, brindándole al usuario un prototipo seguro y lleno de confort. El proyecto se iniciará con la determinación de los parámetros de diseño, tomando en cuenta la aplicación y limitantes del vehículo. Luego, se realizará una investigación biométrica de la población colombiana para tener un promedio de las medidas del VTH. Una vez determinadas las mismas, se diseñaran cada uno de los sistemas que componen el vehículo, entre ellos: chasis, sistema de transmisión, sistema de dirección, sistema de frenado, carenaje y sujeciones de éste al chasis. Mediante la utilización de herramientas como Solidworks, se desarrollaran diferentes simulaciones de la parte estructural del vehículo, con la finalidad de determinar la distribución de esfuerzos, factor de seguridad y deflexiones a las que estará sometida. Se verificará si los resultados de dichas simulaciones se encuentran en rangos admisibles y satisfactorios. El resultado del proyecto será un VTH, que cumpla con los parámetros de diseño establecidos, brinde seguridad y confort a los usuarios, atractivo a la población y agradable a la vista.

Palabras clave: Vehículo de Tracción Humana, VTH, Sistemas de transmisión, Dirección y frenado, Chasis.

VI

Diseño de un Vehículo de Tracción Humana (VTH) Ajustable

Abstract Over the years, Human Powered Vehicles (HPV) have been characterized as fast and safe vehicles, built mostly for adults. This work aims to design a vehicle powered by human power, giving the user a safe and comfortable prototype. The project will begin with the determination of the design parameters, taking into account the application and limitations of the vehicle. Then, a biometric investigation of the Colombian population will be carried out to have an average of the measurements of the HPV. Once they have been determined, each of the systems that make up the vehicle will be designed, including: chassis, transmission system, steering system, braking system, fairing and fastenings of this one to the chassis. Through the use of tools such as Solidworks, different simulations of the structural part of the vehicle will be developed, in order to determine the distribution of stress, safety factor and deflections to which it will be subjected. It shall be verified whether the results of such simulations are within acceptable and satisfactory ranges. . The result of the project will be a HPV, which meets the established design parameters, provides safety and comfort to users, attractive to the population and pleasant to the eye.

Keywords: Human Powered Vehicles, HPV, TransmissionSystems, Direction and braking, Chassis.

Contenido

VII

Contenido Pág. Resumen .......................................................................................................................... V Lista de figuras ............................................................................................................... IX Lista de tablas ................................................................................................................. X Lista de Símbolos y abreviaturas .................................................................................. XI Introducción..................................................................................................................... 1 1.

Capítulo 1: Planteamiento del Problema ................................................................ 3 1.1 Objetivos.......................................................................................................... 4 1.1.1 Objetivo General ................................................................................... 4 1.1.2 Objetivos Específicos ............................................................................ 4 1.2 Justificación ..................................................................................................... 5 1.3 Alcance y Delimitación..................................................................................... 5

2.

Capítulo 2: Marco Teórico ....................................................................................... 7 2.1 Antecedentes de la investigación..................................................................... 7 2.1.1 Vehículo de Tracción Humana .............................................................. 7 2.1.2 Diseño de un Vehículo de Tracción Humana ........................................ 8 2.1.3 Vehículos de Tracción Humana - Universidad de los Andes ................. 9 2.1.4 Asociación Mundial de Vehículos de Propulsión Humana ................... 10 2.2 Bases Teóricas .............................................................................................. 10 2.2.1 Bicicleta .............................................................................................. 11 2.2.2 Reseña Histórica de la Bicicleta .......................................................... 12 2.2.3 Consejos para Elegir una Bicicleta según la Talla ............................... 15 2.2.4 Vehículos de Tracción Humana y Bicicleta Reclinada ......................... 17 2.2.5 Reseña Histórica de los Vehículos de Tracción Humana y Bicicleta Reclinada ............................................................................................ 19 2.2.6 Transmisión ........................................................................................ 22 2.2.6.1 Cálculo del diseño de transmisión por cadenas................................... 24 2.2.7 Chasis ................................................................................................. 26 2.2.8 Ergonomía .......................................................................................... 26 2.2.9 Dirección ............................................................................................. 29 2.2.10 Principio de Efecto de ACKERMAN .................................................... 30 2.2.11 Sistema de Frenado............................................................................ 32

VIII


3.

Capítulo 3: Marco Metodológico ............................................................................33 3.1 Tipo de Investigación......................................................................................33 3.2 Partes de la Investigación ..............................................................................33

4.

Capítulo 4: Diseño de un Vehículo de Tracción Humana (VTH) Ajustable..........37 4.1 Parámetros de Diseño....................................................................................37 4.1.1 Criterios de Diseño ..............................................................................37 4.1.2 Dimensiones netas del Chasis .............................................................38 4.1.3 Peso del vehículo ................................................................................38 4.1.4 Peso de la carga últil............................................................................38 4.1.5 Peso del piloto .....................................................................................39 4.2 Sistema de Transmisión .................................................................................39 4.2.1 Recorrido de la Cadena .......................................................................39 4.2.2 Relación de Transmisión .....................................................................40 4.3 Estructura del Chasis .....................................................................................44 4.4 Análisis VTH...................................................................................................47 4.4.1 Cálculo de Torque ...............................................................................48 4.4.2 Cálculo Chasis.....................................................................................49

5.

Conclusiones y recomendaciones ........................................................................53 5.1 Conclusiones ..................................................................................................53 5.2 Recomendaciones................................ ..........................................................53

A. Anexo: Planos de Construcción ............................................................................55 B. Anexo: Análisis de Costos .....................................................................................57 Bibliografía .....................................................................................................................59

Contenido

IX

Lista de figuras Pág. Figura 2.1: Partes de la Bicicleta ..............................................................................11 Figura 2.2: Evolución de la Bicicleta .........................................................................14 Figura 2.3: Bicicleta Reclinada .................................................................................17 Figura 2.4: Velocar ...................................................................................................20 Figura 2.5: Vehículos a Propulsión Humana .............................................................21 Figura 2.6: Velomovil X3...........................................................................................22 Figura 2.7: Sistema de Transmisión Bicicleta ...........................................................23 Figura 2.8: Anatomia de la Transmisión de una Bicicleta ..........................................25 Figura 2.9: Ergonomia de la Bicicleta Reclinada.......................................................29 Figura 2.10: Geometría de Ackerman.........................................................................31 Figura 4.1: Diagramas de Cuerpo Libre - Llantas .....................................................40 Figura 4.2: Calculos Llamta ......................................................................................41 Figura 4.3: Platos Seleccionados .............................................................................42 Figura 4.4: Relación de Transmisión ........................................................................42 Figura 4.5: Diagrama Número de Dientes Piñón vs. Distancia Recorrida .................43 Figura 4.6: Velocidades generadas según el Plato ...................................................43 Figura 4.7: Velocidad vs. Relación de Transmisión ..................................................44 Figura 4.8: Modelado de la estructura del chasis ......................................................46 Figura 4.9: Modelado de la estructura del asiento del vehículo.................................46 Figura 4.10: Ensamble del vehículo............................................................................47 Figura 4.11: Diagrama de Cuerpo Libre ......................................................................48 Figura 4.12: Diagrama Sección Longitudinal VTH ......................................................50 Figura B.1: Análisis de Costos ..................................................................................57

Contenido

X

Lista de tablas Pág. Tabla 2.1: Tabla 2.2: Tabla 2.3: Tabla 3.1: Tabla 3.2: Tabla 3.3: Tabla 3.4: Tabla 3.5: Tabla 3.6: Tabla 3.7: Tabla 4.1:

Tabla de Equivalencias .............................................................................. 15 Dimensiones de Cadenas .......................................................................... 24 Número de dientes de Plato de un solo Torn disponibles de un proveedor .. .................................................................................................................. 25 Determinar las condiciones de operación y variables de diseño ................ 34 Diseñar el Chasis del Vehículo .................................................................. 34 Diseñar el sistema de transmisión del Vehículo ......................................... 35 Diseñar el sistema de dirección del Vehículo ............................................. 35 Diseñar el carenaje .................................................................................... 36 Diseñar el sistema de frenado del Vehículo ............................................... 36 Elaborar los planos para la Construcción ................................................... 36 Dimensiones de Cadenas ANSI 41 ó DIN/ISO 085-1 ................................. 40

Contenido

XI

Lista de Símbolos y abreviaturas A continuación se muestran los símbolos y abreviaturas utilizados a lo largo del proyecto.

Símbolos con letras latinas Símbolo

Término

Unidad

kg

Kilogramo

kg

N

Newton

 = ∙ 

   

Diametro de mm Paso Diametro de  paso Condición cinemática entre  las ruedas



  

 =  ∙   −  = 

Radio de giro Fuerza  Velocidad ( Torque

 =   + 

= ∙ )  ∙ =  =  ∙

Definición Unidad de masa del sistema internacional, equivalente a la de un cilindro de platino e iridio conservado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, y aproximadamente igual a la masa de 1000 centímetros cubicos de agua a la temperatura de su máxima densidad, cuatro grados Celsius. [1] Unidad de fuerza del sistema internacional, equivalente a la fuerza que, aplicada a un cuerpo cuya masa es de 1 kilogramo, le comunica una aceleración de un metro por segundo cada segundo. [2] Ec. 2.1 Ec. 2.2 Ec. 2.4 Ec. 2.5 Ec. 4.1 Ec. 4.2 Ec. 4.3

XII


Símbolos con letras griegas Símbolo

Término



Velocidad Angular

Unidad

 = ∙   ó 

Definición Ec. 2.3

Subíndices Subíndice P x, y

Término Paso Plano de análisis

Superíndices Superíndice Término n Exponente, potencia

Abreviaturas Abreviatura VTH IHPVA WHPVA MRUA

Término Vehículo de Tracción Humana International Human Powered Vehicles Association World Human Powered Vehicles Association Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado

Introducción Los vehículos de tracción humana (VTH), llamados también “bicicletas reclinadas”, pues el conductor reclina su espalda en la conducción, han sido desarrollados para hacer más cómodo y veloz el ciclismo de competición y también el ciclismo cotidiano tomando como prioridad la aerodinámica, la seguridad y el confort del ciclista. Desde los inicios se han construido VTH para adultos de estatura promedio, sin tomar en cuenta que puede haber personas que se salgan de estos rangos, es decir, que hay personas con estatura más baja o más alta que la “normal”. En este proyecto se pretende realizar el estudio y diseño de un VTH que funcione para 3 tallas diferentes de personas, incluyendo las diferentes áreas y sistemas que lo conforman, entre ellas chasis, transmisión, dirección, frenos y estética. Evaluando a su vez por medio de simulaciones y pruebas, la seguridad y desempeño del mismo. En el presente trabajo se desarrollan aspectos importantes que deben ser conocidos tener clara la justificación de la investigación, los pasos necesarios para lograr el diseño del sistema, de qué manera se llevarán a cabo estos pasos, los recursos de los que se dispone, entre otros. En tal sentido, el trabajo está estructurado en diez (10) aspectos básicos: Información general donde se identifican aspectos importantes. Seguido de esto se proporciona el objeto de la investigación, planteamiento del problema, la definición de los objetivos, justificación de la investigación, alcance y delimitación de la misma. Luego se explica el marco teórico, marco metodológico y posteriormente, la viabilidad del trabajo así como los resultados esperados. Los parámetros de diseño del vehículo, y las distintas fases realizadas tales como: diseño de un banco de pruebas y medidas biométricas, con el fin de lograr un óptimo y funcional diseño, y con altos márgenes de seguridad.

2

Introducción

La investigación está estructurada en cuatro capítulos en los cuales se explica la información recopilada, actividades y procedimientos acerca del tema de estudio. En el capítulo 1 se presenta el planteamiento del problema junto con los objetivos de la investigación, justificación, alcance y delimitación. El capítulo 2 contiene el marco teórico. En éste se describen los antecedentes y las bases teóricas de la investigación, tomando contexto referencial y trayectoria histórica sobre el contenido del tema a tratar. En el capítulo 3 se presenta el marco metodológico, describiendo los pasos realizados para lograr el cumplimiento de los objetivos trazados junto con el tipo de investigación utilizada. El capítulo 4, contempla el análisis de los resultados y a su vez muestra el diseño describiendo las especificaciones y procedimientos para construcción de cada uno de los sistemas que conforman el vehículo. Finalmente, se enuncian las conclusiones y recomendaciones pertinentes al desarrollo del trabajo.

1.Capítulo 1: Planteamiento del Problema Lo único que está claro es que la bicicleta es un invento europeo. Dependiendo de lo que se considera una bicicleta existen unas fechas u otras, siendo la primera bicicleta a pedales patentada como tal y a partir de la cual ha evolucionado la industria en el siglo XX la del británico John Kemp Starley en 1885, si bien es cierto que se basó en los modelos europeos construidos a lo largo de todo el siglo XIX. Existe la creencia de que Leonardo Da Vinci creó el primer boceto en papel de una bicicleta (que incluía hasta la cadena de transmisión) a finales del siglo XV, pero el investigador alemán Hans-Erhard Lessing demostró en 1997 que el diseño se introdujo en los documentos de Leonardo a partir de 1961. También a finales del siglo XVIII, un francés, el conde de Sivrac habría inventado el celerífero, un primitivo cuadro sobre dos ruedas con una cabeza de animal, pero autores como Max Rauck, Gerd Volke y Felix Paturi han desmentido esta fecha atribuyéndola a antiguas rivalidades nacionalistas entre franceses y alemanes [3]. Debido a este invento, el hombre ha intentado potenciar su energía para lograr realizar más rápido sus actividades diarias. En la actualidad existe la necesidad (ambiental y económica) de promover el uso de otros tipos de energía para los medios de transporte e incluso para la recreación, así, la potencia humana tiene un papel importante dentro de este tema. Un VTH es un vehículo ecológico, funcional, cómodo y seguro; lleno de elegancia y creatividad, que como utiliza como única fuerza de movimiento la energía humana; éste puede ser de dos o más ruedas, para deporte, transporte o de tipo utilitario. Esta energía puede ser aportada por brazos o piernas, de una persona, o más de un ciclista. A lo largo de los años el VTH ha sido fabricado para un público estandar, dejando de lado a las personas más altas o más bajas de la población.

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Con este vehículo se intenta motivar a las personas en general a realizar actividades recreacionales y físicas, saliendo de los esquemas como son las bicicletas, triciclos y carros eléctricos tradicionales. La bicicleta es un medio de transporte muy utilizado en la actualidad, incluso promovido en la ciudad de Bogotá con estrategias como: Semilleros de la bici, Al colegio en bici, Déjese ver, Pasos Seguros, Clínica de la bicicleta, entre otros [4], pero tiene sus desventajas al hablar de seguridad por lo que no cuenta con ningún elemento de protección en caso de un choque. Los carros eléctricos poseen buena seguridad en comparación con la bicicleta pero al ser eléctricos necesitan recargar baterías en un corto tiempo y su duración no es prolongada; además de su alto costo, los que lo hace poco rentables. Debido a estas problemáticas surge la idea de construir un VTH ajustable con el fin de conseguir un vehículo seguro, cómodo, atractivo e innovador que puede llamar la atención de muchas personas y a un menor costo que, por ejemplo, los carros eléctricos.

1.1 Objetivos A continuación se enuncian los objetivos del proyecto en cuestión.

1.1.1 Objetivo General Diseñar un Vehículo de Tracción Humana ( VTH) de tres (3) ruedas, dos adelante y una atrás, que podrán utilizar adultos de diferentes alturas.

1.1.2 Objetivos Específicos Los objetivos específicos del proyecto son: 

Determinar las condiciones de operación y diseño del vehículo.



Diseñar el chasis del vehículo.



Diseñar el sistema de transmisión del vehículo.



Diseñar el sistema de dirección del vehículo.



Diseñar el sistema de frenado del vehículo.



Elaborar los planos para construcción del vehículo.

Capítulo 1: Planteamiento del Problema

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1.2 Justificación El diseño de un VTH ajustable es de gran importancia debido a que puede ser utilizado por personas de diferentes estaturas, y, es un modelo poco común dentro de la universidad ECCI, además de ser un motivador para que las personas realicen una actividad física que les proporcione a su vez diversión, seguridad y confort en su desplazamiento. El diseño y simulación de este vehículo permitirá conocer el funcionamiento, elementos y partes que lo conforman para ofrecer el mayor rendimiento de los mismos.

1.3 Alcance y Delimitación El presente trabajo contempla el diseño de un VTH ajustable, el cual constará de elementos mecánicos. Este trabajo incluye también los cálculos de los parámetros necesarios para poder realizar el diseño del mismo, teniendo en cuenta: Estética, seguridad, el menor costo posible, desempeño y elección de los elementos más calificados de acuerdo a dicho diseño. El estudio y diseño se llevará a cabo en la materia de Diseño de Máquinas I, perteneciente al pensum de Ingeniería Mecánica, de la Universidad ECCI. Así, se analizarán los sistemas de: transmisión, dirección y frenos del vehículo, y tambien el diseño del chasis.

2.Capítulo 2: Marco Teórico La información utilizada para este proyecto se consigna a continuación.

2.1 Antecedentes de la investigación El diseño de los VTH ha ido evolucionando al pasar de los años, esto debido a la búsqueda del hombre de potenciar y aprovechar su energía. Para la elaboración de este proyecto, fueron revisadas investigaciones relacionadas con el dicho tema, permitiendo enfocar el objeto de estudio, y cumpliendo los propósitos de la Investigación. Así, el presente proyecto se apoya en la siguiente información:

2.1.1 Vehículo de Tracción Humana El término diseño abarca una amplia gama de significados. Tratándose del automóvil la palabra diseño no solo implica su mantenimiento e innovación sino el cálculo y la debida construcción de cada uno de sus elementos con el fin de proporcionar comodidad, seguridad y alta eficiencia del tipo de vehículo a utilizar. Sin embargo, hoy día a nivel pregrado universitario, no solo basta la concepción del diseño mecánico como una materia conceptual formada de complejas ecuaciones y teoremas sino la aplicabilidad que esta representa en nuestro diario vivir, cómo visualizar nuevas conceptos y tecnologías desde grandes medios de transporte para grandes cargas hasta un vehículo de tracción humana accionado por la misma fuerza del hombre. Los vehículos de tracción humana (VTH) son cualquier vehículo impulsado exclusivamente por la fuerza muscular del ser humano. Los diseños de VTH varían según la función y el objetivo que se pretendan. Para el proyecto a mostrar se inició con un estudio del estado del arte de estos vehículos y luego se inició el diseño propio de este. Para ello, con ayuda de las teorías de fallas, esfuerzos permisibles, resistencias y

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muchas otras variables planteadas en los diferentes libros de diseño mecánico, analizar cargas estáticas, dinámicas y valores máximos. Así mismo definir qué tipo de elemento se usara y su respectiva referencia. Por último, se usarán programas como SolidWorks que permiten la simulación y verificación de los datos obtenidos. Actualmente las universidades, a través de una competencias promovidas por las diferentes ramas de la ingeniería, principalmente la ingeniería mecánica, brindan la oportunidad a los estudiantes de proponer alternativas al transporte que sean prácticas y sostenibles, además de propiciar la integración de las universidades. [5]

2.1.2 Diseño de un Vehículo de Tracción Humana La necesidad de transporte siempre ha sido una constante preocupación para el serhumano, metas como reducir el esfuerzo mínimo, la comodidad, el desempeño, seacentúan fuertemente dentro de los objetivos a la hora de diseñar un sistema detransporte desde el más sencillo al más complicado. Los VTH (vehículos de tracciónhumana) no escapan a estas tendencias del diseño e incluso se han convertido en unagran atracción para muchas personas aficionadas a la mecánica existiendo empresasdedicadas exclusivamente a la fabricación de estos tipos de vehículos. Por tal razón, nuestra empresa ha sido encargada para el diseño y fabricación de unvehículo de tracción humana ceñido a ciertos requerimientos impuestos por el clientepara ponerse a prueba en una competencia donde se evaluarán conceptos de diseño ydesempeño del vehículo. Para tal fin, es necesario establecer una metodología dediseño la cual nos permitirá establecer los criterios y funciones más importantes quedebe contener el producto, para luego poder proponer y evaluar diferentesalternativas que en principio cumplan con tales condiciones. De este proceso deselección se describirán detalles de la alternativa seleccionada, dimensiones, esfuerzosproducidos, materiales de fabricación y pruebas de rendimientos que sustenten lacorrecta funcionalidad del producto creado. En el presente informe, que corresponde la primera de dos entregas, se describen losobjetivos a perseguir durante el desarrollo del VTH, así mismo los requerimientos dediseño y los primeros cálculos asociados como lo son la potencia estimada para

Capítulo 2: Marco Teórico

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moverel vehículo. Se propondrán las tres alternativas para el diseño final, correspondientesal número de llantas y a la configuración de estas, algunos elementos independientes aestas alternativas. Luego, se escogerá la mejor alternativa según métodos de calidad yse detallarán aspectos del vehículo final en base a esta alternativa incluyendodimensiones estimativas. Por último, se han de exponer los materiales y costos defabricación junto con el cronograma definido para la ejecución de este proyecto. [6]

2.1.3 Vehículos de Tracción Humana - Universidad de los Andes El Diseño de Sistemas Mecánicos hace referencia a la actividad de un(a) ingeniero(a) mecánico(a) en la cual él (ella) hace uso de los principios de las ciencias para el desarrollo de un producto. En el contexto de la profesión, dicho producto puede ser una estructura, un mecanismo, una máquina, etc., que satisfaga una necesidad, un objetivo, unos requerimientos, unas limitaciones, unas restricciones y/o unos criterios, los cuales son impuestos por las necesidades y deseos de un cliente, por las condiciones en la cuales va a operar dicho sistema y por la disponibilidad de capital para su desarrollo. El propósito de este curso es el de exponer a los estudiantes a situaciones problemáticas que simulen, con algunas limitaciones, las condiciones en las cuales se diseñan sistemas mecánicos durante el ejercicio profesional. Es decir, situaciones que deben ser resueltas a partir de la mejor información que pueda ser recolectada, en un tiempo determinado y dentro de un presupuesto disponible. En este curso los proyectos se desarrollarán en equipos de trabajo, lo cual es común en ambientes de trabajo profesional. Desde el año 2010 el proyecto final del curso es el diseño, construcción y puesta a punto de vehículos de tracción humana (VTH) que satisfagan una necesidad específica. Algunos de los VTH construidos han sido diseñados con fines competitivos, aunque en ocasiones estos vehículos han sido construidos para ayudar a personas discapacitadas. Los vehículos de tracción humana son una muy buena opción para el mundo actual, ya que buscan alternativas para proveer los servicios que requiere la población, reduciendo el efecto negativo sobre el medio ambiente. Los sistemas de transporte propulsados por potencia humana podrían ir en esta dirección y, dependiendo del diseño del vehículo, ser confiables, seguros y una solución real y sostenible de transporte. [7]

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2.1.4 Asociación Mundial de Vehículos de Propulsión Humana El origen de la organización se remonta al año 1976, cuando fue fundada la International Human Powered Vehicles Association (IHPVA) por ciclistas

estadounidenses

disconformes con las estrictas reglas de la UCI que solamente permiten la participación de bicicletas tradicionales en las competencias oficiales. Al principio se centró en la obtención de nuevos récords mundiales, destacándose el récord de velocidad, medido en el esprint de 200 metros, y el récord de la hora, pero a partir de la creciente popularidad de estos vehículos sus actividades se fueron diversificando. En 1995, se organizó la primera Copa Mundial de Vehículos de Tracción Humana. En sus primeras dos décadas de existencia la IHPVA era una asociación que funcionaba bajo las leyes de Estados Unidas y aceptaba socios individuales. En 1997 fue reorganizada: Bajo las siglas IHPVA empezó a funcionar como organización internacional, con las federaciones nacionales como miembros. En cambio, la asociación estadounidense adoptó el nombre HPVA. En el año 2004, conflictos entre la HPVA y la dirigencia de la IHPVA llevaron a una división. A partir de 2008, la HPVA comenzó a usar el nombre IHPVA, aceptando nuevamente socios internacionales, tanto personas individuales como clubes. En consecuencia, la IHPVA original en 2009 adoptó el nombre actual World Human Powered Vehicles Association (WHPVA). Ambas confederaciones siguen en conflicto: mantienen su propia lista de récords mundiales y organizan sus propios eventos internacionales. Mientras que la WHPVA organiza las Copas Mundiales, la IHPVA organiza un evento llamado World Human Powered Speed Challenge. [8]

2.2 Bases Teóricas Para la elaboración del presente proyecto fue necesario conocer ciertos conceptos básicos que representan la base fundamental para el diseño de un vehículo de tracción humana, así como también conocimientos técnicos importantes acerca de equipos, piezas y métodos de fabricación aplicados al mismo.


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2.2.1 Bicicleta El término bicicleta es aquel que se usa para denominar a un tipo de vehículo, normalmente de uso individual, aunque algunos modelos admiten transportar una persona más, cuyas características principales y más salientes son que posee dos ruedas, movidas por dos pedales y una cadena y que se accionarán ellos a través de la fuerza que ejercen las piernas de quien los moviliza. [9] La bicicleta es un vehículo de dos ruedas, que suelen ser de los mismos tamaños y dispuestos en línea, provistas de neumáticos, montados en un chasis metálico que une y sostiene sus diversos órganos y soporta un sillín donde se sienta el conductor a horcajadas. Figura 2.1:

Partes de la Bicicleta

Fuente: Wikipedia. [10]

Existen diferentes tipos de bicicletas, pero básicamente todas son similares, aunque los componentes difieran en calidad, diseño y peso, así como en la agilidad y modalidad de uso. Los diferentes componentes más importantes de una bicicleta convencional de dos ruedas se presentan a continuación (Ver Figura 2.1) [10]:

12 

Diseño de un Vehículo de Tracción Humana (VTH) Ajustable Ajusta ble Cuadro: El Cuadro: El más común, es en forma de rombo, también llamado de diamante o de doble triángulo. Los clásicos eran de hierro o acero; hoy en día, cuando es acero el cromo-molibdeno. También pueden ser de aluminio o de titanio, o incluso de fibra de carbono entre otros materiales.



Horquilla: Horquilla: Pieza formada por el tubo de dirección que sujeta el buje de la rueda delantera; puede ser fija o con suspensión.



Ruedas: Después Ruedas: Después del cuadro, las ruedas son el elemento de mayor importancia para el rendimiento de la bicicleta.



Transmisión: Incluye Transmisión: Incluye los cambios de marcha externos tipo desviadores (dérailleur) delanteros y traseros; y cambios internos en el buje de la rueda trasera, ambos manejados por palancas de cambio.



Palanca de cambio: cambio: Cambiadores de marchas incluyen cambiadores de puño y cambiadores de pulgar entre otros.



Frenos: Incluye Frenos: Incluye las palancas de freno y sistemas de frenos.



Potencia: Potencia: La potencia (o tubo de dirección) es el conjunto de los componentes de una bicicleta que proporcionan una interfaz entre la horquilla delantera y el tubo frontal del cuadro entre sí.



Manillar: Manillar: Los manillares varían entre una anchura de 52,5 a 60 cm (21 a 24 pulgadas), los anchos permiten un control a velocidades bajas mientras los estrechos son mejores para velocidades altas, los estrechos además son convenientes en la ciudad para escurrir entre los automóviles.



Sillín: Sillín: De los sillines existentes en el mercado, unos son delgados y ligeros para reducir el peso mientras otros modelos anatómicos están diseñados para el confort.



Tija: Se Tija: Se denomina tija a tubo de soporte del sillín o del asiento.

2.2.2 Reseña Histórica de la Bicicleta En el Antiguo el Antiguo Egipto se fabricaron artefactos rudimentarios compuestos por dos ruedas unidas por una barra. También se conoció en China un artilugio muy similar, pero con ruedas hechas de bambú. Existe la creencia de que las primeras noticias que se tienen sobre una bicicleta datan del año 1490, año 1490, aproximadamente, aproximadamente, en la obra obra Codex Atlanticus, de Leonardo de Leonardo da Vinci. En Vinci. En ellos puede verse un boceto de una bicicleta con transmisión de cadena impulsada por unos pedales (el mismo método empleado por las actuales), pero no fue más que una broma perpetrada en la década de 1960. No fue sino hasta


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1997 cuando el doctor Hans-Erhard Lessing puso en duda la autenticidad del diseño. Un estudio detallado demostró que el dibujo que aparece en el códice era una falsificación añadida después de su restauración en los años 60, más precisamente entre 1967 y 1974. Se dijo que en 1791 el conde francés Mede de Sivrac había inventado en París el celerífero, al que también llamaban caballo de ruedas. Este consistía en un listón de madera terminado en una cabeza de león, de dragón o de ciervo, y montado sobre dos ruedas. No tenía articulación alguna, y para las maniobras había que echar pie a tierra; esa misma rigidez hacía que todas las variaciones del terreno repercutieran sobre el cuerpo de su montura. Sin embargo, el conde Mede Sivrac, inventor de célérifère, nunca existió. El personaje fue creado en 1891 por el periodista francés, especialista en la locomoción terrestre, Louis Baudry de Saunier (1865-1938). Para él, era más gratificante realizar una copia de la invención de Karl Drais para 1790 y atribuirlo a un francés, en su Historia General el velocípedo, el velocípedo, que que apareció en 1891. En 1817, En 1817, el el barón barón alemán alemán Karl Karl Christian Ludwig Drais von Sauerbronn inventó el primer vehículo de dos ruedas, al que llamó máquina andante (en alemán, laufmaschine), precursora de la bicicleta y la motocicleta. Esta «máquina andante» consistía en una especie de carrito de dos ruedas, colocadas colocadas una detrás de otra, y un manillar. La persona se mantenía sentada sobre una pequeña montura, colocada en el centro de un pequeño marco de madera. Para moverse, empujaba alternativamente con el pie izquierdo y el derecho hacia adelante, en forma parecida al movimiento de un patinador. Con este impulso, el vehículo adquiría una velocidad casi idéntica a la de un carruaje. Sus carruaje. Sus brazos descansaban sobre un apoyabrazos de hierro, y con las manos sostenía una vara de madera, unida a la rueda delantera, que giraba en la dirección hacia la cual quería ir el conductor. Este invento estaba basado en la idea de que una persona, al caminar, desperdicia mucha fuerza por tener que desplazar su peso en forma alternada de un pie al otro. Drais logró crear este sencillo vehículo que le permitió al hombre evitar ese trabajo. Esta máquina, denominada inicialmente draisiana en honor a su inventor y posteriormente llamada más comúnmente velocípedo, comúnmente velocípedo, evolucionó evolucionó rápidamente.

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El herrero e inventor francés Pierre Michaux también es considerado uno de los desarrolladores de la bicicleta moderna. La construcción de la primera bicicleta con pedales se atribuye al escocés Kirkpatrick Macmillan, en el año 1839. Una copia de la bicicleta de Macmillan se exhibe en el Museo de Ciencias en Londres, Inglaterra. Macmillan nunca patentó el invento, que posteriormente fue copiado en 1846 por Gavin Dalzell de Lesmahagow, quien lo difundió tan ampliamente que fue considerado durante cincuenta años el inventor de la bicicleta .8 Cerca de 1890, el inglés John Boyd Dunlop (aficionado al ciclismo y creador de la empresa homónima) inventó una cámara de tela y caucho, que se inflaba con aire y se colocaba en la llanta. Para evitar pinchazos, Dunlop inventó además una cubierta también de caucho. Estos inventos de Dunlop casi no han sufrido variaciones significativas desde su invención. [10] Figura 2.2:

Evolución de la Bicicleta

Fuente: Wikipedia. [10]


15

2.2.3 Consejos para Elegir una Bicicleta según la Talla Errar en la talla de la bicicleta puede ocasionar muchos dolores, y no sólo de cabeza por haberse equivocado, sino también en las articulaciones, que sufrirán pedaleando en una talla incorrecta. La bicicleta se ha de adaptar al cuerpo a la perfección, por eso es determinante invertir tiempo en estudiar y averiguar cuál es la talla adecuada. A continuación se explica la forma más fácil y rápida de saber la talla de bicicleta. [11] 

Antes de proceder a elegir la talla adecuada es conveniente tener muy claro el tipo de bicicleta que se va a comprar. Se debe tener en cuenta la geometría de las diferentes gamas y cómo esto afecta a la posición final.



Para averiguar la talla correcta hay que guiarse por la longitud de las piernas y no por la altura total de cuerpo. Hay casos en los que una persona más baja puede necesitar más talla, y viceversa, por la medida de sus piernas con respecto al tronco. Para conocer la talla del modo más preciso, es necesario medir la distancia desde el suelo hasta tu entrepierna. Para ello se debe estar de pie con las piernas rectas y ligeramente separadas. Se puede hacer con la ayuda de un nivel o de un libro, paralelo al suelo.



Ya se tiene la medida necesaria para saber la talla. El siguiente proceso es traducirlo a centímetros, pulgadas y/o talla. Así se sabra qué distancia se debe poner el sillín con respecto al centro del eje de pedal.



Para saber la medida del cuadro en centímetros (la medida se da en el tubo vertical, o tubo de sillín), se debe multiplicar por 0,54 la medida de la entrepierna. Si la se quiere saber en pulgadas, se debe multiplicar por 0,21. Si se multiplica por 0,883, dará la distancia desde el centro del eje de pedal hasta la parte superior del sillín.



Para facilitar la tarea se puede observar la Tabla 2.1 para comprobar todas las equivalencias anteriormente tocadas. Tabla 2.1:

Tabla de Equivalencias

Fuente: SoloBici. [11] Interior Talla en cm x pierna en cm 0,54 68

36,72

Talla en pulgadas x 0,21 14,28

Tallaje normal aprox. XXS

Altura del sillín x 0,883 en cm. 60,04

16


Interior Talla en cm x pierna en cm 0,54 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 81 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

37,26 37,80 38,34 38,88 39,42 39,96 40,50 41,04 41,58 42,12 42,66 43,20 43,74 43,74 44,82 45,36 45,90 46,44 46,98 47,52 48,06 48,60 49,14 49,68 50,22 50,76 51,30 51,84 52,38 52,92 53,46 54,00

Talla en pulgadas x 0,21 14,49 14,70 14,91 15,12 15,33 15,54 15,75 15,96 16,17 16,38 16,59 16,80 17,01 17,01 17,43 17,64 17,85 18,06 18,27 18,48 18,69 18,90 19,11 19,32 19,53 19,74 19,95 20,16 20,37 20,58 20,79 21,00

Tallaje normal aprox. XS XS XS XS XS XS S S S S S M M M M M M M M M L L L L L L XL XL XL XXL XXL XXL

Altura del sillín x 0,883 en cm. 60,93 61,81 62,69 63,58 64,46 65,34 66,23 67,11 67,99 68,87 69,76 70,64 71,52 71,52 73,29 74,17 75,06 75,94 76,82 77,70 78,59 79,47 80,35 81,24 82,12 83,00 83,89 84,77 85,65 86,53 87,42 88,30

Es importante tener en cuenta que dentro de las mismas tallas puede haber pequeñas variaciones según la propia interpretación del fabricante. Otro detalle que hay que tener en cuenta es la categoría a la que pertenece la bicicleta, el uso y los gustos personales de cada uno. Hay muchos corredores que eligen una talla ligeramente más pequeña que


17

la que les sale por medida, por el hecho de tener una bici más manejable y con reacciones más rápidas, aunque pierdan un poco de estabilidad.

2.2.4 Vehículos de Tracción Humana y Bicicleta Reclinada Los vehículos de tracción humana (VTH), son cualquier vehículo impulsado exclusivamente por la fuerza muscular del Ser Humano. Los diseños de VTH varían según la función y el objetivo que se pretendan. Los VTH's más comunes son los velocípedos -como la bicicleta-, las patinetas, longboards, monopatines, rollers, las embarcaciones de remos, como las canoas y los artefactos de pedales; aunque muchos otros tipos de vehículos pueden moverse con fuerza humana, incluyendo submarinos, aeronaves, aerodeslizadores y vehículos de escultura cinética. [12] La bicicleta reclinada es un tipo de bicicleta en la que el ciclista adopta una posición más cómoda (sobre todo) pero también más aerodinámica, por lo que en terreno llano o favorable es más veloz que la bicicleta tradicional. En las subidas dependerá sobre todo del peso ya que las bajas velocidades no le permiten hacer valer su ventaja aerodinámica. [13] Figura 2.3:

Bicicleta Reclinada

Fuente: No Sin Mi Bici. [14]

18


Ventajas: 

Eliminar todos los "dolores y sufrimientos" no asociados directamente al propio pedaleo (de trasero, de espalda, de cuello, de brazos, de manos, de pies...) y sus mitigadores asociados como los guantes o la badana del culote.



Imprimir una mayor fuerza al pedaleo pues se apoya en el asiento al hacerlo, a diferencia de una bicicleta normal donde el único "punto de apoyo" es el peso del propio ciclista. Por este motivo conviene estar alerta para evitar sobresfuerzos que puedan desembocar en tendinitis.



Frenar con mayor "dureza", con un mejor apoyo (los pies) y un menor riesgo de vuelco hacia delante.



Ajustar los pedales automáticos al mínimo de dureza ya que al no ser los pies punto de apoyo del cuerpo, no se producen movimientos extraños, razón por la cual tampoco es peligrosa una (poco probable) liberación accidental del pie.



Tener amplia y permanentemente "a la vista" el paisaje por donde circulamos, incluidas las alturas montañosas y hasta las copas de los árboles bajo los que circulamos.



Conducir con una sola mano (con seguridad) hasta en la más peligrosa de las bajadas ya que el manillar no soporta apoyo del cuerpo ni en la más dura de las frenadas. Esto permite hacer fotos o grabar vídeos en marcha con suma facilidad.



Pasar menos frío en invierno (sin contar con los parabrisas aerodinámicos) y esto por varias razones:



Toda la espalda va perfectamente protegida del frío exterior.



La incidencia del aire frío es siempre tangencial a brazos, piernas y torso.



El calor solar incide verticalmente calentando las zonas mencionadas en el punto anterior.



Pasar menos calor en verano por casi las mismas razones expuestas para el invierno:



Toda la espalda va perfectamente protegida de la incidencia directa del calor del sol.



El calor solar incide sólo en las zonas expuestas a la "refrigeración por aire".



Que el viento de cara deje de ser el enemigo número uno del ciclista para ser sólo una molestia.



Pedalear en las curvas sin miedo a que los pedales toquen el suelo.




19

Llevar más equipaje y mejor distribuido al poderse aprovechar el hueco bajo el asiento.

Desventajas: 

Se es menos visible ante los coches, sobre todo por los laterales o muy cerca de ellos.



No se pueden levantar las ruedas. En cambio con una bici erguida es muy fácil levantar la rueda delantera.



Es más incómodo mirar hacia atrás.



Suelen ser bastante pesadas por lo que las cuestas se suben peor.



Iniciar la marcha puede resultar más difícil ya que hay que prescindir del impulso inicial con el pie en el suelo.



La lluvia molestará más al impactar frontalmente en la cara.



Permite, gracias al apoyo del asiento, mayor carga sobre las piernas por lo que hay que estar alerta y no abusar de desarrollos para evitar la aparición de tendinitis.

2.2.5 Reseña Histórica de los Vehículos de Tracción Humana y Bicicleta Reclinada Después de haberse inventado la tracción a cadena en la construcción de bicicletas alrededor de 1880, varios inventores realizaron variaciones de este concepto. Entre ellos se encuentran los primeros antecesores de la bicicleta reclinada: el modelo francés Fautenil (1893) y el suizo Challand (1895). Una de las primeras bicicletas populares de este diseño fue la Brown-Recumbent estadounidense de 1900, la cual se llegó a exportar a Europa y es el prototipo de la llamada bicicleta chopera con una posición menos inclinada. Todos estos conceptos se basaron en la bicicleta reclinada larga. Al margen emergieron conceptos como la Darling de 1896, en la cual el ciclista anda acostado boca abajo.

20

Diseño de un Vehículo de Tracción Humana (VTH) Ajustable Figura 2.4:

Velocar

Fuente: Bicicleta.es – El Rincón de la Bicileta. [15]

Peugeot en el año 1914 fue la primera empresa importante que construyó un modelo de bicicleta reclinada, basada en el Brown-Recumbent. En los años 20 destaca el modelo alemán J-Rad construido por el ingeniero aeronáutico Paul Jaray, uno de los constructores del popular dirigible Zeppelin. Charles Mochet, a principios de los años 30, construyó el Velocar, la primera bicicleta reclinada que se usó con éxito en eventos deportivos. En el año 1933 con ella se alcanzó el récord mundial de la hora (45,056 km). Recién cinco años más tarde una bicicleta convencional alcanzaría estas velocidades. En 1934 la UCI prohibió las bicicletas reclinadas en las competiciones oficiales, lo que fue un duro golpe para el desarrollo de las mismas. Sin embargo Mochet siguió desarrollando modelos nuevos, como la primera reclinada recubierta de manera aerodinámica, la cual alcanzó 50 km/h en una hora en 1939, un logro que significaba un nuevo récord pero no fue reconocido por la UCI por las nuevas reglas. De manera paralela se construyeron las primeras reclinadas cortas, cuyo primer modelo comercial fue The Cycloratio, de 1935. El ingeniero alemán Paul Rinkowski contribuyó, a partir de 1947, a que este tipo hoy sea el más popular entre las bicicletas reclinadas.


21

En los años de posguerra, las reclinadas tuvieron un corto boom ya que muchas personas en la Europa destruida por la guerra, al no alcanzarles el dinero para comprar un auto, recurrieron a las bicicletas reclinadas, más confortables que las comunes. Pero a partir de los años 50 este tipo de bicicleta tuvo un rápido descenso en su popularidad. Enlos años 70 las reclinadas comenzaron a renacer, cuando algunos ciclistas profesionales recurrieron a ellas para marcar nuevos récords, aunque no fueran reconocidas por la UCI. En 1976 se creó la International Human Powered Vehicle Association (IHPVA), una asociación que se dedicaba al desarrollo de todo tipo de vehículos a propulsión humana. Las bicicletas reclinadas ocupan un lugar central en sus actividades, ya que son actualmente los vehículos más rápidos de esta categoría. Figura 2.5:

Vehículos a Propulsión Humana

Fuente: Biciletas Reclinadas Un Siglo más de Historia. [16]

En los últimos años de la década del 1970 y la década del 80 el interés de la escena se centró en las distancias cortas, las cuales permitieron velocidades antes impensables para una bicicleta. En el año 1977 se alcanzaron los 75 km/h y en 1986 finalmente los 100 km/h. En esta época dominaban triciclos con cuadro recubierto de manera aerodinámica como el Vector, con el cual se alcanzaron varios récords en la década del 80.

22


Por sus ventajas en cuanto al peso respecto a los triciclos, los biciclos reclinados volvieron a dominar las competencias a partir de 1990, cuando se fue popularizando el tipo de construcción con asientos muy bajos, los Low Racer, como la Cutting Edge de 1990 que inspiró a varios constructores de la actualidad. En la misma década las bicicletas tipo scooter o chopper tuvieron un corto auge, y las reclinadas cortas se empezaron a producir otra vez en grandes series. Sin embargo, hasta la actualidad las bicicletas reclinadas solamente cuentan con una pequeña porción del mercado. [13] Con el único impulso de sus músculos y el logro de una mínima resistencia aerodinámica, un hombre ha sido capaz de alcanzar los 133,78 kilómetros por hora. Ha sido un holandés, Sebastiaan Bowier, quien en el Desierto de Nevada estableció el nuevo récord de velocidad en vehículos de propulsión humana el pasado fin de semana, durante el World Human Power Speed Challenge en Battle Mountain. [17] Figura 2.6:

Velomovil X3

Fuente: 3IKE. [17]

2.2.6 Transmisión Una transmisión de bicicleta es un sistema para transmitir la energía del o los ciclistas para impulsar la bicicleta. Puede incluir un sistema para disponer de diferentes relaciones de marchas. Por ejemplo, para subir una cuesta y además poder llanear con una buena efectividad. El sistema más habitual transmite el movimiento de las piernas sobre unos pedales a un plato y este impulsa, mediante una cadena de transmisión unos sistema de piñón libre y este a su vez a la rueda trasera. [18]


23

Típicamente, la transmisión cambia la velocidad de rotación de un eje de entrada, lo que resulta en una velocidad de salida diferente. En general, las transmisiones reducen una rotación inadecuada, de alta velocidad y bajo par del conductor, del eje de salida del impulsor primario a una velocidad más baja con par de giro más alto, o a la inversa. En estos casos, la mayoría de las relaciones (llamadas usualmente "marchas" o "cambios") se emplean para reducir la velocidad de salida del conductor e incrementar el par de giro; sin embargo, las relaciones más altas pueden ser sobre marchas que aumentan la velocidad de salida. [19] Hay variaciones: 

Bicicletas que se impulsan con los brazos. Útiles para personas sin movilidad en las piernas o simplemente para ejercitar la parte superior.



No es raro ver bicicletas reclinadas con tracción delantera por resultar más simple.



Son muy raras las bicicletas con tracción 2X2, análoga al 4X4 de los coches.



Existen otros medios para transmitir la energía de los pedales a la rueda como el cardan, hidráulicos o por correa.



Existen pedalieres que evitan el punto muerto del pedal como el rotor u otros sistemas que los mitigan como los platos ovalados.



Los cambios internos pueden sustituir a los externos. Figura 2.7:

Sistema de Transmisión Bicicleta Fuente: BioBike. [20]

24


2.2.6.1Cálculo del diseño de transmisión por cadenas 

Selección del tipo de Cadena: Determinación del diametro de paso

 =  

(Ec. 2.1)

Donde: p: Paso N: Número de dientes Se emplea la siguiente tabla para buscar el paso (p): Tabla 2.2:

Dimensiones de Cadenas

Fuente: TV Vision Chain. [21] NUMERO NUMERO DE DE CADENA CADENA DIN/ISO ANSI



PASO (mm)

DIAMETRO DE ANCHO RODILLO (mm) (mm)

RESISTENCIA MINIMA A LA TENSION (kN/lb)

PESO MEDIO (kg/m)

03C

15

4.7625

2.48

2.38

1.8/409

0.08

04C-1

25

6.35

3.3

3.18

3.5/796

0.15

06C-1

35

9.525

5.08

4.77

7.9/1795

0.33

085-1

41

12.7

7.77

6.25

6.67/1516

0.41

08A-1

40

12.7

7.95

7.85

14.1/3205

0.62

10A-1

50

15.875

10.16

9.4

22.2/5045

1.02

12A-1

60

19.05

11.91

12.75

31.8/7227

1.5

16A-1

80

25.4

15.88

15.75

56.7/12886

2.6

20A-1

100

31.75

19.05

18.9

88.5/20114

3.91

24A-1

120

38.1

22.23

25.22

127/28864

5.62

28A-1

140

44.45

25.4

25.22

172.4/39182

7.5

32A-1

160

50.8

28.58

31.55

226.8/51545

10.1

36A-1

180

57.15

35.71

35.48

280.2/63682

13.45

40A-1

200

63.5

39.68

37.85

353.8/80409

16.15

48A-1

240

76.2

47.63

47.35

510.3/ 115977

23.2

Determinar la configuración de la plato: Determinación del diametro de paso

 =  ∙  

(Ec. 2.2)


25

 =  ∙ 

(Ec. 2.3)

Figura 2.8: Anatomia de la Transmisión de una Bicicleta Fuente: Bikefilia. [22]

Se verifica con la tabla 2.3., que el número de dientes para los platos este estandarizado. Tabla 2.3:

Número de dientes de Plato de un solo Torn disponibles de un proveedor Fuente: Universidad Industrial de Santander. [23]

NUM.

NÚMERO DE DIENTES DE PLATO DISPONIBLES

25

8 - 30, 32, 34, 35, 36, 40, 42, 45, 48, 54, 60, 64, 70, 72, 76, 80, 90, 95, 96, 102, 129

35

4 - 45, 48, 52, 54, 60, 64, 65, 68, 70, 72, 76, 80, 84, 90, 95, 96, 102, 112, 120

41

6 - 60, 64, 65, 68, 70, 72, 76, 80, 84, 90, 95, 96, 12, 112, 120

40

8 - 60, 64, 65, 68, 70, 72, 76, 80, 84, 90, 95, 96, 12, 112, 120

50

8 - 60, 64, 65, 68, 70, 72, 76, 80, 84, 90, 95, 96, 12, 112, 120

60

8 – 60, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 70, 72, 76, 80, 84, 90, 95, 96, 102, 112, 120

80

8 – 60, 64, 65, 68, 70, 72, 76, 78, 80, 90, 95, 96, 102, 112, 120

100

8 – 60, 64, 65, 67, 68, 70, 72, 74, 76, 80, 84, 90, 95, 96, 102, 112, 120

26

Diseño de un Vehículo de Tracción Humana (VTH) Ajustable NUM.

NÚMERO DE DIENTES DE PLATO DISPONIBLES

120

9 – 45, 46, 48, 50, 52, 54, 55, 57, 60, 64, 65, 67, 68, 70, 72, 76, 80, 84, 90, 96, 102, 112,120

140

9 - 28, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 39, 40, 42, 43, 45, 48, 54, 60, 64, 65, 68, 70, 72, 76, 80, 84, 96

160

8 – 30, 32 – 36, 38, 40, 45, 46, 50, 52, 53, 54, 56, 57, 60, 62, 63, 64, 65, 66, 68, 70, 72, 73, 80, 84, 96

180

13 – 25, 28, 35, 39, 40, 45, 54, 60

200

9 – 30, 32, 33, 35, 36, 39, 40, 42, 44, 45, 48, 50, 51, 54, 56, 58, 59, 60, 63, 64, 65, 68, 70, 72

240

9 – 30, 32, 35, 36, 40, 44, 45, 48, 52, 54, 60

2.2.7 Chasis Es la estructura que sostiene y aporta rigidez y forma a un vehículo u objeto portable. Este sostiene el peso, aportando rigidez al conjunto dependiendo de las condiciones de operación, y condicionando la forma y la dinamicidad final del mismo. Suele estar realizado en diferentes materiales, dependiendo de la rigidez, precio y forma necesarios. Los más habituales son de acero o aluminio. Las formas básicas que lo componen suelen ser tubos o vigas. [24] Las dimensiones del vehículo están dirigidas en el cálculo de los esfuerzos que pueden ocasionar que el material de construcción falle o se fatigue, considerando igualmente todos los componentes que lleva el diseño. De igual manera cobra gran importancia las relaciones peso-potencia-costo del material que conformara la estructura del vehículo, estas entre otras variables. De todas estas consideraciones resultan las medidas definitivas del chasis y de ello dependerá también la geometría del cuadro evitando así una catástrofe o el sobre diseño del vehículo.

2.2.8 Ergonomía La industrialización ha creado un nuevo ambiente para el hombre, el cual ha incidido en su desarrollo y personalidad; así, en la medida en que se tome en cuenta la esencia del


27

hombre, el proceso de formación de dicho ambiente responderá mejor a la naturaleza humana y a las necesidades de la sociedad. La tendencia actual es elevar en forma vertical el papel del factor humano en la producción, el cual inicialmente quedó relegado ante la revolución científico-técnica. Por otro lado, el progreso técnico plantea el problema hombre-máquina-entorno: 

El diseño del equipo es demasiado complejo y le crea problemas de adaptación al individuo.



Surge la necesidad de equilibrar y concordar el diseño y condiciones de funcionamiento de los equipos con las características del trabajador.



Se busca conseguir la interacción óptima del hombre y la máquina con el fin de minimizar los costos técnicos y los costos del error humano.



El diseño de un nuevo dispositivo técnico obliga al estudio del sistema integrado hombremáquina-entorno.

En esta integración de elementos intervienen por un lado las ciencias técnicas (físicomatemáticas, químicas y técnicas), y por el otro las ciencias biológicas, psicológicas, económicas y sociales. La ergonomía surge del concepto de que la actividad laboral no es la máquina sola, o el individuo solo, o él individuo manipulando la máquina, sino más bien la investigación mancomunada para encontrar la concordancia entre las posibilidades físicas de la máquina y las propiedades psicofisiológicas del individuo. Puede concluirse que la ergonomía se ha formado por la confluencia de una serie de disciplinas tales como la psicología, la fisiología, la seguridad e higiene y las ciencias técnicas; a excepción de las técnicas, todas ellas examinan al individuo en e! trabajo desde distintos puntos de vista. Los estudios ergonómicos no se limitan exclusivamente al problema hombre-medio laboral sino que van más allá, aplicando sus criterios y esquemas a cualquier actividad humana, tanto en la producción como en la vida cotidiana. Una de sus aplicaciones es la de diseño y construcción de complicados artículos industriales de uso doméstico cultural, aplicaciones en los vehículos para comodidad y seguridad de los usuarios, etc.

28


El trabajo ergonómico corresponde a la categoría de investigaciones aplicadas que aseguran la integración de la ciencia en la producción y que ofrecen medidas encaminadas a aliviar el trabajo y elevar su eficacia y calidad. La aplicación de los principios ergonómicos en la industria, los transportes, la construcción, la energética, etc., eleva el rendimiento y mejora la calidad del producto o servicio. El elemento humano es el factor dinamizante con características de reservable y ponderable para aumentar la eficacia de la producción en todas las actividades, esto es que no se emplea una sola vez; por esta consideración la ergonomía hace hincapié en lograr que el trabajo del hombre no sólo sea más productivo, sino más rico en contenido e interesante y creativo. [25] Al momento de comparar desde el punto de vista ergonómico un vehículo impulsado por potencia humana con una bicicleta común de carreras, se reflejan las siguientes ventajas: [26] 

Imprimir una mayor fuerza al pedaleo pues se apoya en el asiento al hacerlo, a diferencia de una bicicleta normal donde el único "punto de apoyo" es el peso del propio ciclista. Por este motivo conviene estar alerta para evitar sobreesfuerzos que puedan desembocar en tendinitis.



Frenar con mayor "dureza", con un mejor apoyo (los pies) y un menor riesgo de vuelco hacia delante



Debido a la posición ergonómica la parte alta del cuerpo permanece relajada, ayudando la respiración y el rendimiento cardiaco.



Disminución de los gastos de energía inútiles debido a las tensiones en la espalda, el cuello y los hombros, ya que la mirada del corredor va dirigida naturalmente hacia adelante sin necesidad de elevar su cabeza para obtener la visión deseada.



Presentan asientos confortables y con respaldo firme permitiendo de esta manera pedalear con mayor comodidad, en la parte deportiva los asientos suelen ser más eficaces al momento de pedalear pero menos cómodos para largos recorridos.



Las manos, brazos y muñecas del corredor se mantienen relajadas, ya que no soportan ningún tipo de peso, solo de emplean para dirigir el vehículo.



Pedalear en las curvas sin miedo a que los pedales toquen el suelo.


Figura 2.9:

29

Ergonomia de la Bicicleta Reclinada Fuente: GranaBike. [27]

2.2.9 Dirección El Sistema de Dirección Automotriz cambia la dirección del vehículo como su trayectoria. El conductor por acción del volante de dirección, puede controlar el sentido de los neumáticos delanteros del vehículo. Un sistema de dirección debe tener una apropiada fuerza de operación, características de agarre estable, suficiente esfuerzo y seguridad de conducción. [28] Las características principales de una dirección automotriz: [28] 

Fuerza apropiada para el manejo de la dirección: La fuerza del manejo del volante de dirección debe tener un paso estable cuando los vehículos están viajando en línea recta y debe ser suficientemente liviana para permitir un buen manejo cuando el vehículo estámarchando alrededor de una curva óse esté estacionando en algún lugar.



Dirección estable: Cuando el Vehículo ha acabado de dar vuelta en una esquina, es necesario para el sistema de dirección, recobrar su postura de línea recta para luego recobrar la fuerza delantera de los neumáticos, para lo cual el conductor solo suelta ligeramente el agarre del volante de dirección. También, mientras maneje, el

30

Diseño de un Vehículo de Tracción Humana (VTH) Ajustable volante de dirección no tirará de las manos del conductor cuando las ruedas golpeen algo en el camino ó transmitan vibraciones a las manos del conductor.



Seguridad: En el caso que una colisión ocurra, el sistema de dirección tendrá una construcción la cual aminore la seriedad del daño tanto como sea posible, absorbiendo el impacto y amortiguándolo.

2.2.10

Principio de Efecto de ACKERMAN

Ackerman, Principio de. Cuando un vehículo gira en una curva, los ejes de todas las ruedas deben de concurrir en punto llamado centro instantáneo de rotación. La mangueta de la rueda interior debe de girar un ángulo mayor que la rueda exterior, luego se precisa una divergencia de las ruedas delanteras cuando se toman las curvas para evitar el desgaste de las cubiertas y evitar el deslizamiento. Para crear la geometría de la dirección apropiada, se disponen los brazos de la dirección y la barra de acoplamiento formando un trapecio, que produce un ángulo de giro mayor de la rueda interior que en la exterior. El principio de Ackerman se utiliza en los coches de calle para que en una curva todo el vehículo (incluidas todas las ruedas) estén girando respecto al mismo centro instantáneo de rotación haciendo el coche fácilmente controlable y minimizando el desgaste de las ruedas. De esta manera en una curva la rueda directriz exterior gira menos que la rueda directriz interior. Lo que sucede al aplicar este principio en el eje directriz de un vehículo es que la rueda exterior tiene menor apoyo debido a que está menos girada. En un F1 esto no permite exprimir todo el potencial de paso por curva del coche ya que se desplaza gran parte del peso a la rueda exterior que está no es capaz de aguantar por el poco agarre que tiene. Lo que se hace en estos casos es girar más la rueda exterior -aun sabiendo que se gastará más- de manera que tendrá mayor superfície de contacto y permitirá un paso por curva más elevado. Se denomina centro instantáneo de rotación (CIR) al punto -de velocidad cero- respecto al cual un sólido está girando en un instante. La línea que une el CIR y un punto cualquiera del sólido es perpendicular a la velocidad de dicho punto. [29]


31

La geometría de dirección, es el conjunto de parámetros, cotas y ángulos que definen el posicionamiento de los elementos del sistema de dirección y del eje trasero y delantero. Para esto se debe tener en cuenta la estabilidad, facilidad de conducción, no llegar a la fatiga mecánica, disminuir el consumo de combustible y prolongar la vida útil de los neumáticos [30]. En base a esto la geometría de Ackerman es usado para hallar la geometría exacta de las ruedas delanteras. El sistema de dirección típico, en un coche de carretera o carrera, tiene tirantes y brazos de dirección que forman un paralelogramo aproximado, que se inclina hacia un lado cuando las ruedas giran. Si los brazos de dirección son paralelos, entonces ambas ruedas se dirigen al mismo ángulo. Si los brazos de dirección están inclinados, mostrado en la Figura 2.11, esto se conoce como Ackerman geometría. La rueda interior se dirige a un mayor ángulo que la rueda exterior, permitiendo dentro que la rueda para dirigir un radio más apretado. [31] Figura 2.10: Geometría de Ackerman Fuente: Racing Car Technology. [31]

En la siguiente ecuación se tiene la resta del ángulo interno y externo definido por el centro de rotación, ilustrando una condición cinemática entre estas ruedas.

 −  = 

(Ec. 2.4)

32


El radio de giro se puede demostrar por medio del centro de masas del vehículo, con este se implementa los ángulos.

 = √  +  2.2.11

(Ec. 2.5)

Sistema de Frenado

El sistema de frenado es el encargado en detener el vehículo, evitando el derrape y la pérdida de control de este, en este influye la fuerza de frenado que es un torque de frenada que genera esta fuerza mientras la llanta este en contacto con el suelo, distribución de peso donde ocurre un fenómeno donde el peso se distribuye en la parte frontal y trasera del vehículo, si el eje frontal supera la fuerza de frenado máximo el conductor puede perder maniobrabilidad y perder el control, la distancia de frenado y la energía disipada. Además de esto para accionar el sistema de frenado se debe tener en cuenta la transferencia de fuerza desde el conductor a la rueda. Tenemos dos mecánicos el mecánico y el hidráulico. El mecanismo puramente mecánico es ejercer presión y por medio de la mano o el pie, y transferirlo directamente a través de un mecanismo transmisivo, ya sea por medio de un chicote, o de engranes y varillas. El mecanismo hidráulico consiste en la trasferencia de un fluido desde un cilindro maestro hasta un cilindro esclavo. Dicho mecanismo tiene como principio la ley de Pascal, la cual establece la incompresibilidad de un fluido en un circuito cerrado y por lo tanto, la conservación de la presión en todo el sistema. [32]

3.Capítulo 3: Marco Metodológico 3.1 Tipo de Investigación Para la realización de este trabajo especial, se utilizó una metodología basada en la investigación científica. Definida como: Un proceso que, mediante la aplicación del método científico de investigación, procura obtener información relevante y fidedigna (digna de fe y crédito), para entender, verificar, corregir o aplicar el conocimiento. Para obtener algún resultado de manera clara y precisa es necesario aplicar algún tipo de investigación, la cual está muy ligada a los seres humanos, ésta posee una serie de pasos para lograr el objetivo planteado o para llegar a la información solicitada, tiene como base el método científico y este es el método de estudio sistemático de la naturaleza que incluye las técnicas de observación, reglas para el razonamiento y la predicción, ideas sobre la experimentación planificada y los modos de comunicar los resultados experimentales y teóricos [33]. Según el propósito que orienta, la investigación es aplicada porque su objetivo principal es la aplicación inmediata de la teoría y no el desarrollo de la misma. Utiliza los resultados para orientar la toma de decisiones y/o resolver los problemas de entorno, apenas terminado su estudio [34]. Este tipo de investigación según el nivel de conocimiento adquirido, se enmarca como descriptiva, ya que consiste en estudiar una situación, evento o proceso haciendo un análisis de sus características, propiedades y elementos constitutivos.

3.2 Partes de la Investigación A continuación se presentan las partes de la investigación del presente proyecto.

34

Diseño de un Vehículo de Tracción Humana (VTH) Ajustable Tabla 3.1:

Determinar las condiciones de operación y variables de diseño Fuente: Autores.

DETERMINAR LAS CONDICIONES DE OPERACIÓN Y VARIABLES DE DISEÑO Consulta - Revisar informes sobre HPV realizados bibliográfica anteriormente. - Evaluar la utilidad y las condiciones de operación Seleccionar las del vehículo. variables de diseño - Evaluar los diferentes variables necesarios para el diseño del vehículo. Investigar relaciones - Revisar en catálogos comerciales distintas de transmisión de relaciones de transmisiones existentes en el bicicleta mercado. - Establecer los criterios de diseño. Plasmar criterios de - Dimensionar el vehículo de acuerdo al promedio las diseño medidas investigadas. Tabla 3.2:

Diseñar el Chasis del Vehículo Fuente: Autores.

Consulta bibliográfica Modelado tridimensional chasis

DISEÑAR EL CHASIS DEL VEHÍCULO - Revisar los diferentes diseños chasis. - Evaluar los materiales disponibles en el mercado (Costo-Beneficio). - Dimensionar del vehículo. - Seleccionar los materiales a utilizar para su del fabricación. - Evaluar los criterios de ergonomía y seguridad. - Determinar del tipo de soldadura a emplear.

Investigar relaciones - Revisar en catálogos comerciales distintas de transmisión de relaciones de transmisiones existentes en el bicicleta mercado. Análisis esfuerzos deflexiones

- Realizar el bosquejo del chasis en un modelador de computacional. y - Analizar los esfuerzos y deformaciones con el modelador computacional para obtener el factor de seguridad del marco diseñado.

Capítulo 3: Marco Metodológico

Tabla 3.3:

35

Diseñar el sistema de transmisión del Vehículo Fuente: Autores.

DISEÑAR EL SISTEMA DE TRANSMISIÓN DEL VEHÍCULO - Revisar los textos bibliográficos y los catálogos Consulta comerciales sobre los tipos de transmisión de bibliográfica bicicleta. Seleccionar del tipo de transmisión a emplear

- Dimensionar el vehículo. - Seleccionar los materiales a utilizar para su fabricación. - Evaluar los criterios de ergonomía y seguridad.

- Evaluar el tipo de transmisión de acuerdo a las Investigar relaciones condiciones de uso y el espacio disponible para de transmisión de aplicación. bicicleta - Cálculos de la relación de transmisión. Análisis de esfuerzos y deflexiones

- Realizar el bosquejo del chasis en un modelador computacional. - Analizar los esfuerzos y deformaciones por medio de cálculos.

Seleccionar los accesorios y conexiones

- Seleccionar los accesorios necesarios como por ejemplo: ejes, tazas, guías, entre otros.

Tabla 3.4:

Diseñar el sistema de dirección del Vehículo Fuente: Autores.

DISEÑAR EL SISTEMA DE DIRECCIÓN DEL VEHÍCULO - Estudiar y revisar las maniobras de bicicletas Seleccionar el tipo existentes. de dirección a - Elegir la dirección de acuerdo a la aplicación, emplear facilidad de manejo y practicidad. Determinar el radio - Determinar el ángulo de giro de las ruedas. de giro del vehículo

36


Diseñar el carenaje

Fuente: Autores. DISEÑAR EL CARENAJE - Dimensionar el vehículo. Diseñar el carenado - Seleccionar los materiales a utilizar para su del vehículo fabricación. - Evaluar criterios de ergonomía y seguridad. Diseñar las sujeciones del carenado al chasis Tabla 3.6:

- Revisar dimensiones del chasis. - Revisar dimensiones del carenado. - Evaluar diferentes tipos de sujeciones, tomando como criterios seguridad y resistencia de las mismas. Diseñar el sistema de frenado del Vehículo Fuente: Autores.

DISEÑAR EL SISTEMA DE FRENADO DEL VEHÍCULO Consulta - Revisar los textos bibliográficos y los catálogos bibliográfica comerciales sobre los tipos de frenos de bicicleta. Seleccionar el tipo - Evaluar el tipo de frenos a utilizar de acuerdo a las de condiciones de uso, requerimientos de diseño y frenos a emplear adaptabilidad al vehículo. Tabla 3.7:

Elaborar los planos para la Construcción Fuente: Autores.

ELABORAR LOS PLANOS PARA LA CONSTRUCCIÓN Realizar planos - Diseñar los planos por medio de un modelador mecánicos de computacional de cada una de las piezas a construir. detalles de piezas Realizar planos - Diseñar el plano por medio de un modelador mecánicos de computacional del vehículo ensamblado. conjunto

4.Capítulo 4: Diseño de un Vehículo de Tracción Humana (VTH) Ajustable 4.1 Parámetros de Diseño Los parámetros de diseño se determinaron en base a la aplicación y uso que se le quiere dar al vehículo. En este caso un vehículo impulsado por potencia humana, categoría de un solo conductor, y su uso será destinado para la recreación y actividad física para diferentes personas. Los parámetros de diseño establecidos son los siguientes: 

El vehículo constará de tres ruedas, que estarán ubicadas dos adelante y una atrás.



Estará equipado con un carenado aerodinámico parcial ubicado en la parte delantera del vehículo.



El asiento tendrá tres posiciones de desplazamiento horizontal.



El vehículo estará equipado una relación de transmisión equivalente a las bicicletas comerciales modelo rin 26” y 16” para diferentes personas.

4.1.1 Criterios de Diseño Los criterios de diseño son los siguientes: 

Eliminar bordes afilados o protuberancia, tanto en la superficie externa como interna.



La geometría del sistema debe ser lo más compacta posible a fin de ofrecer la mayor comodidad para el conductor.



Maximizar la seguridad del vehículo.



Minimizar la longitud, ancho y altura del vehículo.



Minimizar peso para su fácil transporte y disminuir la cantidad de energía aportada por el conductor.



Escoger el sistema de frenado más apropiado para el vehículo.

38


4.1.2 Dimensiones netas del Chasis Para cumplir con los requerimientos de diseño y no exceder el ancho y la altura adecuado, y buscando que la geometría del sistema sea lo más compacta posible, para brindar así mayor comodidad, ergonomía y seguridad al conductor, las dimensiones resultantes son las siguientes: 

Dimensiones del Tubo Antivuelco: Altura: 90 cm. Ancho: 60 cm.



Dimensiones del Asiento: Altura: 60 cm. (Angulo de inclinación de: 110°) Ancho: 50 cm. Recorrido del asiento: 20cm. (tres posiciones).



Distancia entre ruedas (trasera y delantera): 90 cm.



Distancia entre ruedas (delanteras): 50 cm.

4.1.3 Peso del vehículo Para lograr obtener un fácil traslado del vehículo además de un menor arrastre y disminuir la cantidad de energía aportada por el conductor se requiere establecer el peso adecuado del vehículo resultando el siguiente: 

Masa en Kg del vehículo:

Vehículo con todos sus componentes y sistemas: 30.6 KG. 

Peso en N del vehículo:

Vehículo con todos sus componentes y sistemas:

 = ∙  = (30.6 ) ∙ 9.8  = 299.88  4.1.4 Peso de la carga últil El peso de la carga útil es 20 kg. Según la ecuación 4.1:

(Ec. 4.1)

Capítulo 4: Diseño de un Vehículo de Tracción Humana (VTH) Ajustable

39

 = (20 ) ∙ 9.8  = 196  4.1.5 Peso del piloto El peso promedio de las mujeres colombianas es 61 Kg y el de los hombres es 67 Kg [35]. Para ser conservadores, los cálculos se realizaran con 70 Kg. Según la ecuación 4.1:

 = (70 ) ∙ 9.8  = 686  4.2 Sistema de Transmisión La idea planteada en este diseño es la de transmitir la potencia hacia atrás, para ello se ha utilizado como recursos la repartición del peso del vehículo y la selección de un rin más grande en la parte trasera. Trayendo esto como consecuencia el uso de una cadena más larga y el uso de tensores para dirigir la cadena a lo largo del estructura del chasis hasta la parte posterior. Al contrario que las bicicletas convencionales, en las reclinadas existen varias posibilidades de llevar la cadena del pedal hasta el piñón. Se debe tener en cuenta que cada desviación que se incorpore mediante poleas costará energía, por tanto, sólo se debe desviar la cadena por razones de construcción imprescindible.

4.2.1 Recorrido de la Cadena Para lograr transmitir la potencia desde la parte delantera de la bicicleta hasta el eje trasero es necesario desviar la cadena de modo que no interrumpa con el conductor o con la geometría del vehículo. Esta desviación se debe minimizar para ahorrar las pérdidas de potencia al hacer contacto la cadena con el desviador. Las cadenas utilizadas para bicicletas comerciales están estandarizadas a ANSI 41, es por ello, que para este diseño será utilizada una cadena de este tipo, con las siguientes especificaciones según tabla No. 4.1.

40


Dimensiones de Cadenas ANSI 41 ó DIN/ISO 085-1 Fuente: TV Vision Chain. [21]

NUMERO NUMERO DE DE CADENA CADENA DIN/ISO ANSI 085-1

PASO (mm)

41

DIAMETRO RESISTENCIA DE ANCHO MINIMA A RODILLO (mm) LA TENSION (mm) (kN/lb)

12.7

7.77

6.25

6.67/1516

PESO MEDIO (kg/m) 0.41

4.2.2 Relación de Transmisión Debido a que en el diseño del vehículo se utilizarán dos tipos de ruedas de distinto diámetro, una se encuentra ubicada en la parte posterior del vehículo teniendo un diámetro de 26” pulgadas y las otras dos se encuentran en la parte delantera del vehículo teniendo un diámetro 16” pulgadas cada una. Figura 4.1:

Diagramas de Cuerpo Libre - Llantas Fuente: Autores

Diagrama de cuerpo libre - llantas Llanta Trasera

T

Fr

15°

W


41

Existes distintos tipos de arreglo para la relación de transmisión, pero como se puede observar en el recorrido de la cadena, debido a la geometría del diseño del VTH, este limita la selección de la configuración de la relación de transmisión, sin embargo, cumple con la geometría del diseño. Estos son los números de dientes seleccionados para las distintas secciones: Figura 4.2:

Calculos Llamta

Fuente: Autores

Según los datos de entrada, se seleccionan los siguientes platos:

42


Platos Seleccionados

Fuente: Autores

La relación de transmisión generada por los platos se muestra en la figura 4.4: Figura 4.4:

Relación de Transmisión Fuente: Autores

Relacion de transmision

26

n(N° dientes plato) / m(N° dientes piñon) Plato

piñon

1

30

15

2,00

2

30

18

1,67

3

30

20

1,50

4

30

23

1,30

5

30

26

1,15

6

30

30

1,00

Plato

piñon

1

40

15

2,67

2

40

18

2,22

3

40

20

2,00

4

40

23

1,74

5

40

26

1,54

6

40

30

1,33

26

Relacion

Relacion


Figura 4.5:

43

Diagrama Número de Dientes Piñón vs. Distancia Recorrida Fuente: Autores

El cálculo de velocidades se realiza con la Ecuación 4.2, las velocidades que se producen se muestran en la Figura 4.6 y en la figura 4.7 se muestra el diagrama Velocidad vs. Relación de transmisón.

 ∙ =    Figura 4.6:

Velocidades generadas según el Plato Fuente: Autores

(Ec. 4.2)

44

Diseño de un Vehículo de Tracción Humana (VTH) Ajustable Continuación Figura 4.6

Figura 4.7:

Velocidad vs. Relación de Transmisión Fuente: Autores

35.00

29.88

30.00

24.90 22.41

25.00

19.48

D A D I 20.00 C O L15.00 E V

17.24

22.41

14.94 18.67

16.81 14.61

10.00

12.93

11.20

5.00 0.00 0

1

2

3

4

5

6

7

RELACION DE TRANSMISION.

4.3 Estructura del Chasis El chasis es la estructura o esqueleto en la cual irán ensamblados todos los componentes del vehículo. El diseño de un chasis conlleva todo lo relacionado a la construcción de una estructura con una rigidez y resistencia que dependerán de las condiciones de servicio. El chasis cumple con las condiciones requeridas de tal manera que pueda resistir los esfuerzos a los que estará sometido que pueden ocasionar que el material de construcción falle o se fatigue. Considerando igualmente la geometría compacta, la


45

seguridad y la comodidad del conductor. De igual manera cobra gran importancia la relación pesopotencia del material que conformára la estructura del vehículo. Entre las características generales que debe cumplir este diseño se resumen las siguientes: 

El vehículo posee tres ruedas, dos ruedas delanteras y una trasera, siendo las delanteras de un diámetro menor que la trasera.



La tracción será trasera conservando el paralelismo entre la pedalera y la rueda trasera y garantizando que la cadena no se salga de su posición por medio de tensores.



La dirección es delantera por medio de un sistema de pletina unidas con el volante y las ruedas.



El carenaje es parcial en la sección delantera.

Es importante destacar, que para la elaboración del diseño del chasis y el asiento del vehículo, se toma como referencia las medidas biométricas de los colombianos. Debido a la diferencia de tamaño entre algunas poblaciones colombianas (como los afrodecendientes, la población del centro del país y la indígena), el asiento tendrá la capacidad de ubicarse en tres (3) diferentes posiciones para adaptarlo a la medida del conductor. A continuación, se mostrarán las imágenes correspondientes al modelado de la estructura del chasis Figura 4.8, de la estructura del asiento del vehículo Figura 4.9 y ensamble del vehículo Figura 4.10.

46


Modelado de la estructura del chasis Fuente: Autores

Figura 4.9:

Modelado de la estructura del asiento del vehículo Fuente: Autores


47

Figura 4.10: Ensamble del vehículo Fuente: Autores

4.4 Análisis VTH A continuación se muestran los análisis estáticos realizados: Análisis preliminar:

 =  ∙

(Ec. 4.3)

Donde: T: Torque (N.m) F: Fuerza aplicada por sobre el pedal (N). R: Distancia del pedal al centro de rotación (m). La fuerza promedia ejercida sobre un pedal es de 0 N a 500 N [36], por lo que se reemplaza en la ecuación 4.3:

 = 500 . ∙0.2  = 100 .

48


4.4.1 Cálculo de Torque Se realiza el siguiente análisis estático para conocer la fuerza que se debe realizar para mover el vehículo: Figura 4.11: Diagrama de Cuerpo Libre Fuente: Autores

W

Ángulo 15°

 = ℎí +  +Ú  = 299.88 + 686 +196  = 1181.88   =∙(15°)  = 1181.88 ∙(15°) = 305.893   =∙(15°)  = 1181.88  ∙(15°) =1141.608  =  =  ∙   =∙ (1141.608 )(0.8) = 913.286  [37]

(Ec. 4.4)

(Ec. 4.5)

(Ec. 4.6)

(Ec. 4.7)


∑ =  ∙ 

49

(Ec. 4.8)

 −  =∙∙ 305.893 −913.286  =∙120.6 ∙  607.393  =  120.6  =5.036  Uno de los aspectos fundamentales que debemos tener en cuenta al momento de construir el VTH es la potencia que éste va a requerir para cumplir de manera satisfactoria con el circuito propuesto, para esto debemos saber aspectos importantes para determinar la potencia como lo son la geometría de la pista, cuáles van a ser los momentos de velocidades máximas y mínimas. Toda esta información va a ser fundamental para determinar las fuerzas que se generan al momento del rodaje de la máquina. Recogiendo lo anteriormente dicho, la potencia necesaria para mover el vehículo se define de la siguiente manera:

=  ∙   ó ∙   = 120.6 ∙ 0.3302  ∙ 5.036  =200.5441 .

(Ec. 4.9)

=∙ =200.5441 .∙4.61  = 924.50 

(Ec. 4.10)

Es un Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado (MRUA).

4.4.2 Cálculo Chasis Para verificar el chasis del VTH se realiza un análisis estático con cada una de las reacciones. Estas reacciones son ejercidas en los puntos de apoyo en la rueda trasera y en cada uno de los soportes de las ruedas delanteras, con respecto al peso total del vehículo ubicado en el cancroide y el peso del piloto ubicado en la última posición del asiento a la mitad del mismo.

50

Diseño de un Vehículo de Tracción Humana (VTH) Ajustable Figura 4.12: Diagrama Sección Longitudinal VTH Fuente: Autores

Según la ecuación 4.1:

 = (20 ) ∙9.8  = 196   = (70 ) ∙9.8  = 686   = (30.6 ) ∙9.8  = 299.88  ∑  = 0 (Ec. 4.11)  = − (196 )(0.1 ) − (686 )(0.3 ) − (299.88 )(0.42 ) + ( )(0.9 ) . =390.3884   = 351.30.496 9 ∑  = 0  =  − 196 −686 −299.88  + 390.3884   = 791.4915 

(Ec. 4.12)


51

5.Conclusiones y recomendaciones 5.1 Conclusiones Se diseñó VTH de tres ruedas que podrán utilizar las personas entre 1.40 y 1.80 m de altura, cuyos aspectos más relevantes se describen a continuación: 

Sistema de Transmisión: Se diseñaron tensores para la cadena por la configuración del vehículo, su tracción es trasera.



Estructura del chasis: El vehículo consta de tres (3) ruedas, dos adelante y una atrás, el asiento presenta tres (3) posiciones para adaptarlo al tamaño del piloto al conducir.



Sistema de Frenado: se selecciono un freno tipo Caliper (U), que se encuentra ubicado en la rueda trasera del vehículo.

En lo referido al proceso de diseño, objeto de estudio del presente proyecto, se puede mencionar lo siguiente: 

El vehículo fue diseñado empleando conocimientos adquiridos de ingeniería mecánica, donde cualquier cambio que se efectúa durante el proceso genera la modificación de decisiones tomadas con anterioridad.



Fue evaluado y estudiado para operación normal.



Se elaboraron los planos de construcción orientados al entendimiento y fácil comprensión, disminuyendo el tiempo de construcción y errores en el mismo.

5.2 Recomendaciones 

Utilizar materiales más livianos y más prácticos en cuanto al proceso de fabricación del vehículo. Reduciendo de esta manera el peso del vehículo y facilitando el traslado del mismo.

54



Diseño de un Vehículo de Tracción Humana (VTH) Ajustable Las piezas de la estructura deben ser unidas inicialmente mediante puntos de soldadura para verificar que el armado esté correcto; la soldadura diseñada se aplicará cuando se conozca que el resultado es el deseado.



Realizar mantenimiento al vehículo por lo menos cuatro (4) veces al año, como por ejemplo chequeo del aire de las llantas, chequeo del sistema frenado, ajuste de piezas (tuercas, tornillos, etc), chequeo de las partes de rodamiento de los sistemas de transmisión y dirección, para asegurar un buen funcionamiento del vehículo.

A.

Anexo: Planos de Construcción

B.

Anexo: Análisis de Costos Figura B.1: Análisis de Costos Fuente: Autores

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