Cuadracoptero SW(Cap 4)

8/12/2019 Cuadracoptero SW(Cap 4)

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Captulo4:

DiseodePrototipos.

4.1 Prototipo 1.

Durante los primeros meses de investigacin se encontr que un diseo viable para

los VTOLs es el de helice en ducto (ducted fan). Este es un sistema de propulsin en el

que la hlice va encerrada en un ducto.

Figura

4.1:

Diseo

Hlice

en

Ducto

de

Jayant

Ratti.


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El diseo reduce la prdida de empuje que se tiene en las puntas de las hlices, adems de

aprovechar la presin del aire como se plantea en el principio de Bernoulli. Teniendo esto

en cuenta, se diseo un primer prototipo que tuviera estas caractersticas, utilizando el

programa de CAD, SolidWorks 2007.

Figura4.2:DiseodePrototipo1.

Sin embargo, este primer prototipo fue descartado debido a las desventajas que

presentara en un vehculo de la escala que se tena pensado hacer. Este marco sera muy

pesado, difcil de hacer, y adems limitara en gran manera el espacio que se tendra para

poner los componentes dentro. Adems, los espacios para las hlices deban tan solo un

poco ms grandes que las hlices y an no se tenan las hlices a usar.


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4.2 Prototipo 2.

Teniendo muy en cuenta que el vehculo deba de ser muy ligero y que adems

tuviera espacio suficiente para cargar los componentes, se procedi a disear ahora un

prototipo que tuviera un diseo de marco tipo X, el cual ha sido el diseo ms popular

para los Quadrotors. Se tena pensado hacer una base donde iran todos los componentes y

que tuviera la capacidad de que se le ensamblaran unos brazos. Tambin se tena en mente

ponerle una tapa protectora. Para esto fue necesario comprar el primer motor y hlice

para hacer medidas, as como tambin modelarlos en 3D. Se compr de la tienda de

aeromodelismo el motor de DC ms potente que haba, usado en distintos helicpteros de

radio control de hasta 250 gramos de peso. Del mismo modo, se compro una hlice usada

en helicpteros y aviones pesados. A continuacin se muestra una foto

Figura

4.3:

Motor

de

DC

y

Helice

para

prototipo

2.


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MotorDC9v

Potencia 20 W

ConsumodeCorriente 2.2 A

Peso

70 gr

Cargamxima 250 gr

Tamaodehlicesmx 10x4.5

RPMmax 6,000

Tabla4.1:EspecificacionesdeMotorDC9v.

El motor tiene dos pines en la parte de abajo para conectarlo a la batera, uno en positivo y

negativo. Tambin viene con un pin de 36 dientes que tuvimos que quitar para poder

acoplar la hlice a la flecha.

Figura

4.4:

Solidworks

Motor

DC

9v.


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El motor tiene una longitud de 36 mm, un dimetro de 28.6mm y un dimetro en la

flecha de 3.20mm. Aunque inicialmente no se tena pensado dibujar las hlices, fue

importante hacerlo ya que notamos que el orificio que tena la hlice para el rotor del

motor era demasiado grande, es decir, la hlice le quedaba floja al motor. Se le hizo una

especie de horquilla usando cartn para acoplarlo momentneamente.

La hlice es de plstico y tiene un dimetro total de 200mm as como un dimetro de

centro de 25mm y un barreno para el rotor de 4mm. A esta hlice se le denomin con el

nombre: Hlice1.

Figura4.5:SolidworksHlice1.

Teniendo las medidas de la hlice y del motor se procedi a hacer el diseo del

primer prototipo, comenzando con los brazos que sujetaran al motor y que iran montados


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en la base. Se tena pensando hacer un brazo que sujetara al motor y que adems tuviera

una especie de canal que pudiese proteger los cables que iran del motor a la batera.

Tambin deban de tener una longitud suficiente para poder librar las hlices y que no

existiera una posible colisin entre ellas. Por lo tanto, se determin que los brazos deban

de tener una mnima longitud de 100mm. En la figura 4.6 se presenta un bosquejo en 3D.

Figura4.6:Prototipo2SolidworksBrazo1.

Finalmente se procedi a disear la base, teniendo en cuenta la longitud y el ancho

de los brazos as como tambin que debera tener espacio suficiente para cargar la batera y

dems componentes. La base deba de ser lo suficientemente fuerte como para soportar el

peso de los brazos y muy importante, los torques que generaran los motores.


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Figura

4.7:

Prototipo

2

Solidworks

Base.

La base tena un espesor de 15 mm, un radio de 150 mm y tena 4 brazos separados a 90

que servan para sujetar los otros brazos ya diseados y que tambin contaban con un

canal de proteccin para los cables. Tambin se diseo una tapa de plstico transparente

cuya utilidad sera nicamente para proteger los componentes que cargara la base. Una

vez que se tena esto, se procedi a hacer un ensamble de todo, teniendo cuidado de fijar

todos los componentes y ajustar todo tal y como si fuera la realidad. Los motores iran

fijados a los brazos por la parte de arriba, donde ambos tienen barrenos para tornillos de

tipo M2.5x5. Se obtuvo lo siguiente:


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Figura

4.8:

Prototipo

2

Solidworks

Ensamble.

Figura4.9:Prototipo2Render.


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Una vez que se tena todo ensamblado, se procedi a asignarles el material a las

partes del helicptero. Se asign el material Aluminio 6061 los brazos y a la base. Con esto,

nos dimos cuenta que el helicptero simplemente sera demasiado pesado si se haca el

marco de este material. El compaero de tesis, encargado de la parte de Control del

vehculo, procedi a hacer un prototipo rpido con los componentes que se tenan para ver

si estos seran capaces de levantar un marco muy ligero.

Figura4.10:Estructuradeaceroparaprototipo2.

Con esta estructura fabricada con acero inoxidable se percataron 2 problemas

graves que se tenan con estos componentes. El primero era que la estructura no se

levantaba debido a que los motores no giraban lo suficientemente rpido, posteriormente

se averigu que esos motores deban de ir montados a una caja de engranes reductora, la

cual estaba agotada en todas las tiendas. El segundo era que las hlices no servan de

mucho si no eran de paso invertido. Lo que pas es que se cometi el error de pensar que


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las hlices serviran en ambas direcciones, es decir, si una hlice gira en sentido de las

manecillas del reloj, empuja sacando aire hacia abajo. Sin embargo, si la misma hlice se

pone a girar en sentido contrario a las manecillas del reloj, no empujara ni sacar aire de la

misma manera. De hecho, se not que si se giraban al revs, prcticamente no sacaban aire

en el sentido deseado. Esto sera un grave problema ya que entonces se tendran que

voltear los motores y girar como normalmente lo hacen, pero ahora las hlices tendran

que empujar en lugar de jalar. Al investigar un poco ms sobre el tema se aclar que las

hlices deben de ser de pasoinvertidopara as tener el mismo ngulo de ataque y generar

la misma fuerza de empuje si se giran en sentidos opuestos.

4.3 Prototipo 3.

Una vez que se hizo una investigacin ms a fondo y tambin se evalu la eficiencia

y utilidad de los componentes, se decidi mandar hacer el pedido de la lista final de los

componentes a la compaa canadiense Dragonfly

Innovations

Inc. Estos componentes,

detallados en el captulo anterior, fueron determinantes para que el helicptero volara. De

nuevo se sigui la misma lgica de diseo, una base en el centro, y 4 brazos salientes que

sujetaran los motores. Sin embargo, ahora para ahorrar peso, se tom en cuenta que el

centro tuviera una placa de algn plstico o material ligero, y que ahora los componentes

podan ir en 2 niveles, para mantener as un vehculo lo ms compacto posible.

Una vez que llegaron los componentes, se procedi a dibujar las hlices y motores

en Solidworks, para as tener las medidas exactas para hacer los brazos y la base. Ahora

tambin se tomo en cuenta que se deban de modelar todos los componentes grandes para

poder hacer un prototipo ms preciso. A continuacin se muestran los componentes.


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Figura

4.11:

Prototipo

3

Solidworks

Arduino.


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Figura

4.12:

Prototipo

3

Solidworks

Batera

LiPo.


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Figura

4.13:

Prototipo

3

Solidworks

Motor

Brushles

HIMAX.


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Figura

4.14:

Prototipo

3

Solidworks

Hlices

de

Paso

Invertido

12x4.5.

Teniendo estos componentes en cuenta y sus medidas, se procedi a hacer los brazos. Aqu

se comenz diseando el siguiente brazo: (Ver AnexoCpara dibujo detallado)

Figura4.15:Prototipo3SolidworksBrazo1.

Se le asign el mismo material contemplado, Aluminio 6061 y se procedi a

hacer una prueba de esfuerzo de elementos finitos para ver si la estaba en riesgo de

ruptura la pieza. La prueba mostr que todo estaba bien, tomando en cuenta los valores

mximos de esfuerzos que se presentaran en los brazos, de acuerdo con las frmulas

presentadas en el marco terico:


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Si se toman en cuenta las especificaciones del fabricante del motor, donde la potencia

mxima es de 150 watts, y la velocidad mxima del motor es de 20,000 rpm, entonces se

tiene que el Torque que produce cada motor es de:

De la equacin de fuerza de levantamiento, se calcul la fuerza mxima que produciran las

hlices si se consideran las siguientes variables.

= 1.205 kg/m3

V = 2 * pi * r * 60 * n= 319.18 m/s

Sref= pi * 0.15242 = 0.073 m2. (en base a las hlices usadas de 12x4.5)

CL= 1

Entonces:

L=4480.75Napprox.


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Figura

4.16:

Prototipo

3

Distribucin

de

Desplazamientos

en

Brazo

1.

Property Name Value Units

Elastic modulus 6.9e+010 N/m^2

Poisson's ratio 0.33 NA

Shear modulus 2.6e+010 N/m^2

Mass density 2700 kg/m^3

Tensile strength 1.2408e+008 N/m^2

Yield strength 5.5149e+007 N/m^2

Thermal expansion coefficient 2.4e-005 /Kelvin

Thermal conductivity 170 W/(m.K)

Specific heat 1300 J/(kg.K)

Tabla

4.2:

Resultados

de

Solidworks.


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Figura

4.17:

Prototipo

3

Distribucin

de

Esfuerzos

en

Brazo

1.

Lo que se puede observar de la figura 4.16 es que la parte donde va el motor es la

que sufre un mayor desplazamiento, es decir, la deformacin que sufre el brazo desplaza

esa seccin donde va el motor ms. De la figura 4.17 se puede observar la distribucin de

esfuerzos, donde se ve exagerada la deformacin que sufre la pieza, tambin se puede

observar que los puntos de contacto que sufren mayor esfuerzo son los que unen la pieza

con la base. Sin embargo, la prueba muestra que la pieza est dentro de un rango seguro y

que no existen lugares de peligro en cuanto a esfuerzos. Sin embargo, al pensar en el

maquinado real y los esfuerzos a los que se sometera la pieza, se pens que tal vez estara

muy delgada para poderse manufacturar, y por tal motivo se procedi a hacer un segundo

brazo un poco ms grueso y ligeramente ms pequeo, denominado Brazo 2.


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Figura

4.18:

Prototipo

3

Solidworks

Brazo

2.

A este brazo se le dej un espacio extra en la parte donde va el motor para as poder

pasar los cables que salen del motor por ah. Ver Anexo E para ms detalles del dibujo

tcnico. Se le realizaron tambin las mismas pruebas de esfuerzo y no se observ ningn

problema. Este brazo debera de ir ensamblado con el motor usando una estrella que fue

proporcionada con los motores en el momento de envo.


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Figura4.19:Prototipo3SolidworksEnsambledeBrazo2conmotor.

Se procedi a disear la base teniendo en cuenta que deba de ser muy ligera y que

adems deba tener espacio suficiente para los componentes. Teniendo en mente tambin

las medidas del brazo 1 y que se usara este para el prototipo final.


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Figura

4.20:

Prototipo

3

Solidworks

Base

1.

Esta base estara hueca por dentro, para ahorrar peso, tendra un anillo exterior de

5mm de espesor y cuatro brazos internos para sujetar los brazos (Ver Anexo D). Algo

importante de esta pieza es que tiene esos rieles en los brazos que sirven para darle

estabilidad a los brazos y siempre mantenerlos en posicin. Se le realiz una prueba de

elementos finitos tambin.


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Figura4.21Prototipo3SolidworksDistribucindeDesplazamientosenBase1.

Aqu se puede ver exagerado el desplazamiento en la pieza como resutlado del

torque que genera el motor. Se podra decir que el diseo es correcto, ya que el mximo

desplazamiento o deformacin que se observa es de 2.7 x 10 5 mm. Se procedi a seguir

con el diseo de la placa de dos niveles que sujetara al Arduino y a la batera de LiPo,

siendo estos, los componentes ms grandes.


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Figura4.22Prototipo3Solidworks:PlacaBase1.

En esta placa va montado en la parte superior el Arduino, tiene hecho a la medida un

espacio denotado por las cuas. En la parte de abajo, a 25mm de la parte de arriba se

encuentra el otro nivel, hecho especficamente a la medida de la batera de LiPo que se

pidi. Ver el AnexoFpara un dibujo tcnico ms detallado.

Cabe resaltar que todo se centro de manera simtrica para siempre tener el mismo

centro de masa. Una vez que se termino de disear la placa, se procedi a hacer un

ensamble de todos los componentes para ver que en efecto todo estuviese hecho al a

medida.


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Figura

4.23:

Prototipo

3

Solidworks

Ensamble

final.

Figura

4.24:

Prototipo

3

Solidworks

Vista

en

seccin

de

ensamble.


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Con esto se comprob que ahora el prototipo ya tena todo lo necesario para poder volar, se

mand maquinar todas las piezas, y se procedi a hacer el prototipo fsicamente.

Se especific que para el maquinado se deba de tener cuidado con la Base ya que

habra que partir de una pieza cuadrada de 150x150mm, de donde se tendra que

desbastar toda la parte central. Se debe proceder muy despacio para no debilitar el

aluminio. Si se avanza muy rpido con las brocas, el calor que estas producen debido a la

friccin hace que literalmente se derrita el aluminio y que se flexione. Adems se deben

utilizar diferentes tamaos de broca para poder hacer las juntas y los radios

correspondientes.

Del mismo modo, para maquinar los brazos se debe partir de una solera de

1pulgada de ancho por 1/8 de pulgada de espesor. Se deben de tener las mismas

precauciones para evitar debilitar o flexionar el material.

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