Instituto Tecnológico de Puebla

2015 ASME Monterrey HPV Challenge

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Presents

BALÁMTeam Officers

Ana Altamirano AlbaOsvaldo Silva Francis

Adriana Temalatzi Techalotzi

Team Members

Gerardo Salas

Miriam Sedeño

Ricardo Sánchez

Raúl Antonio Nuñez

Mario Ramírez

David Cuando

Uriel

Felipe Rosas

Visit the team Website at:

https://www.facebook.com/asmeitp

Adjuntar dibujo 3d

1. Abstract

Team Green- KohGreen from Sustainable Koh –Lion in Maya, Our College (Instituto Tecnolígico de Puebla) is a Lion.

Balám is the first prototype of Instituto Tecnológico de Puebla, it was designed and tested in 2015 by the team Green – Koh the team members are freshman Smophore and Junior students of Mechanical Engineering, this is the fist year that our college will be participating in HPVC.

The Team Green – Koh from the Instituto Tecnológico de Puebla designed a prototype based on speed, aerodynamic and security.

An important aspect about Balám is that can safely and effectively be used for everyday transportation in the region of the country where it has been created, in order to make a useful and affordable prototype for Mexican population the team Green – Koh used materials that are economic, easy to find, easy to work and easy to repair.

We made a research about aerodynamic recumbent bikes, “Balám” is a reverse engineering prototype we made emphasis in a compact, stable, strong and fast chassis and fairing.

The material used in the Chassis is steel, in the results of the Secretaría del Trabajo y Prevención Social inform that the minimum salary of the B zone from Mexico where Puebla is, it of $68.28 MXN, that’s why the team Green-Koh decided that the best material to create a vehicle for the South central zone of our country is steel.

The fabrication of the chassis, transmission, where made in Manufacturing Lab from ITP, with the help of our advisor and professors.

The design was made in Solidworks, in this program we made the analysis to corroborate the strength, aerodynamic shape and resistance to demonstrate that Balam archive the requirements of Instituto Tecnológico de Puebla and ASME Human Powered Race events.

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Table of Contents

1. ASME Form 62. Title Page3. 3 – View Drawing of Vehicle…………………………………………………4. Abstract………………………………………………………5. Table of Contents………………………………………6. Design……………………………………………………………………………….

a. Objetive………………………………………………………………………b. Background………………………………………………………………c. Prior Work………………………………………………………………d. Design Specifications……………………………………………e. Concept Development and Selection Methods……………f. Innovation………………………………………………

7. Analysis…………………………………………………a. RPS Analyses………………………………………………………b. Aerodynamic Analyses……………………………………………………c. Cost Analyses………………………………………………………d. Other Analyses………………………………………………………

8. Testing…………………………………………………………a. RPS Testing………………………………………………………b. Developmental Testing………………………………………………c. Performance Testing………………………………………………………

9. Safety………………………………………………………a. Design for safetyb. Hazard Analyses

10. Aesthetics………………………………………………………11. Conclusion………………………………………………………

a) Comparison- Desing goals, analysis and testinga. Evaluation……………………………………………b. Recomendatios…………………c. Conclusion…………………………………………………………

12. References………………………………………………………

Inventoteca, icma vlvd nte y av 15 de mayo

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2. Design Objective 2.1The team from Instituto Tecnológico de Puebla , Green Koh designed, analyzed, and constructed Balám during May, June, July and August 2015, the mission of the team: With the goal of archive sustainable human- powered vehicles field and create a legacy for further generations and to create an entrepreneur mentality and proactive future engineers, we will share our experience in our College.

Green-Koh designed Balám to create confortable, safely drived, lightweight and usefull human-powered vehicle that can be trust to provide efficient transportation.

Background 2.2

The tendency about vehicles is going to the sustainable side, most of the car brands and industrys in general are taking care of the planet, as future mechanical engineers, we must be part of this tencency colaborate to reduce the polution.In Mexico, the city of Puebla has the thirth place in the use of bicilcle as a means of transport, The Government has recently created an infrastructure for the use of bikes instead of cars.

Bicycles are a no-pollution and good alternative for transportation, one of the sides that could be optimized is the body position and the storage space, in our city they are used to all day transportation just like trips to university, mall or work.Green- Koh created a comfortable, stable and fast prototype it has an aerodynamic fairing that optimizes fuerza de arrastre that alows the vehicle to have a better development in movement, it has storage space in the back side and it as well as the height of the chassis, this bikes are not common un the Mexican market jet.

Prior Work 2.3This is the very first time that ITP participate in this event our team is conformed of Junior, Sophomore and Senior Students, our goal is to create a human powered vehicle prototype with innovative design and features that would be affordable by most of the mexicans. The fairing targets is the wind resistance and the design, Balam’s Fairing is aerodynamic because of the low height INSERTAR MEDIDAS DEL SUELO AL FAIRING.

Based on the design of Buckminster Fuller, “Dymaxón” 3 Wheel vehicle created in 1933 the fairing design approaches the aerodynamic caracteristics of Dymaxon that allows Balám to habe a better development incrementing the strength of the wind force allowing us to habe a better movment.

Design Especifications 2.4

ADJUNTAR TABLA DE REQUERIMIENTOS DE ASME

Especifications ASME HPVC PrototypeRoll bar 1330 N shoulder Height

2170 N 12° from Vertical

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Chassis Design

The purpose of the Chassis is to be a safe support of the bike it was designed to carry the weight of the driver, the roll bar, the fairing and an extra charge just like a bag or material for transportation.

General Description

The purpose of the Chassis is to be a safe support of the bike it was designed to carry the weight of the driver, the roll bar, the fairing and an extra charge just like a bag or material for transportation.

It has two tubes in line in the front side and 3 tubes in the back side making Balám a balanced recumbent bike, in order to have a cheap, resistant and secure Chassis the frame was made steel tubes, the welding was with electrode and microwire .

Methodology

Electrode 6013/e:

It’s an butyl electrode for the carbon steel welding that are commercial in all the positions, including vertical falling.

It has an easy on and relight arc, that makes a functional electrode for works conditions in which to weld slim materials. Their easy handling and electric arc transfer it was beneficial to each point and the union in different parts of it.

This electrode is recommended for works in which the easy on and relight of the arc permit to perfom continuously works in materials like tubes, plates and/or blades.

Their good looks is even more beneficial since at the time of deposit, there will be a minimal spatter and slag of easy detachment.

The Green-Koh team use that kind of electrode (6013/e) based on the following properties under A.W.S. regulations:

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Tensile strength 430 MPa (60,000 psi)

Elastic limit 330 MPa (48,000 psi)

Elongation 17%

The chassis is made of mild steel with a caliber number 18 (1.21 mm of thick and a weight of 9.499 kg/m² ) following a design that would give us a better geometry for our needs; a 26 inch diameter rim on the back, which is responsible for transmitting the power of our legs offering more progress improving the efficiency of the energy provided, a 20 inch diameter rim on the front, which offers a great agility and maneuverability, in addition to reduce the distance from the ground to the front of the vehicle which gives us a more comfortable position for pedaling and better vision.

Another side of the chassis is the seat, which was design to provide tilt right back on the floor with 78° of tilt and a curvature at the level of the back of 175° which provides us a more fit and balance when driving and appropiate with respect to the wheel lift.

The seat is ergonomic and it can be adjusted for different high of drivers (1.50 m. to 1.85 m.) which it contains 2 types which meet the anti-skid function by keeping the drives fixed to any type of obstacle. The base is made of steel sheet as well as the chassis of the bicycle, providing greater security at the time of welding both parts while the seat contains foam covered with a vinyl cloth to facilitate the management of it and make it more resistant to wear.

Practicality

This type of chassis design is perfect to daily use for ease of handling and easy obtaining of the materials with which it is designed.

Their inclination gives the driver perfect operation of the vehicle on steep and flat land while the material brings strength hardness and security both the driver and the vehicle facilitating their use for any situation and place.

Rollover Protection System.

In order to make a safe prototype we designed a frame that absorb sufficient energy in a severe accident to minimize the risk of injury, preventing significan body contact with the people in the event of a fall providing adequate abrasion resistance to protect against sliding across the ground as well as a seatbelt that prevents the driver to fall of during a crash.

Landing gear.

The mechanism of the landing gear is practical and simple it has 34° Degrees when it is fully raised and 94.9° when it is completely low, so that means that our lever has a travel of 56.9°. It is

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composed by 5 parts including the lever. The lever has an extension so the driver could be able to control the mechanism in an efficient way.

El sistema de las llantas desplegado permite que la bicicleta estando completamente en alto o girando a bajas velocidades (el caso del arranque y frenado total) donde la estabilidad de la bicicleta es muy poca evita que el vehículo y el piloto caigan, el sistema de llantas en su modo retraido mejora el manejo a altas velocidades ya que reduce la ficción con la superficie del suelo, mejora la aerodinámica del vehículo y permite una mejor posición al tomar una curva rápida ya que permite al veiculo inclinarse para evitar caídas

Transmission

la transmisión es una de las partes más importantes de nuestro vehículo ya que se encarga de impulsarlo con la energía que proporciona el piloto, dadas las características de nuestro vehículo se optó por una transmisión de bicicleta ya que estas tienen una gran variedad de diseños, tamaños, materiales y diferentes usos

para que nuestro vehículo cumpliera con las exigencias del concurso buscamos la relación de la transmisión más adecuada la cual nos ofreciera una rápida respuesta al arrancar desde alto total hasta sostener una alta velocidad sin la necesidad de que el piloto tenga una cadencia excesiva. Ocupamos un solo plato delantero de 40 dientes, en la rueda trasera utilizamos un casstte de 10 piñones con una relación 11 dientes el más pequeño y 36 el más grande, acoplado con un desviador ofreciendo amplia relación de velocidad.

La transmisión esta correctamente instalada en nuestro vehículo para obtener el mejor desempeño posible al igual que las piezas utilizadas, las elegimos por ser la mejor opción el crack set con un eje hueco y bielas de aluminio lo cual otorga ligereza y rigidez ayudando a que la fuerza que se aplica al pedalear no se desperdicie en juego elástico de las piezas, cassette de aluminio y un desviador trasero de alta calidad para poder cambiar la velocidad requerida de forma eficaz.

Falta tabla y traducción, te lo envió en la noche

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la geometría y diseño del vehículo genero la necesidad de ajustar el recorrido de la cadena el cual va desde la parte delantera del vehículo donde se localiza el plato hasta la parte trasera donde se localiza la llanta. La cadena sigue un recorrido el cual no interfiera ni tenga contacto con el cuadro, el piloto o interfiera o cree problemas de manejo. Para esto la cadena tiene que cambiar de dirección en dos ocasiones, para el cambio de dirección creamos un mecanismo por el cual la cadena pueda pasar libre, seguramente y sin ningún tipo de fricción ya que cualquier tipo de fricción disminuirá la fuerza que recibe la llanta haciendo que el vehículo funcione ineficientemente

el crear una guía para la cadena adecuada realizamos varios diseños, nuestra primera idea fue utilizar piñones con un buje para facilitar el giro, tras las pruebas se determina que el desempeño de este sistema no es adecuado ya que al girar el buje tiene gran fricción y debido a la fuerza que este tiene que soportar y a las revoluciones que gira sufre de un desgaste prematuro. Se optó por un sistema de balero sellado y piñón el cual solucionaría el problema de giro y desgaste prematuro, tras las pruebas realizadas y un funcionamiento regular se decidió cambiar el piñón por un mecanismo que ofreciera una mayor seguridad al momento que la cadena pase por este. Creamos un rueda con un canal por el cual la cadena pueda pasar, la rueda podrá girar libremente junto con la cadena ya que igualmente usa baleros para facilitar el giro

la transmisión acoplada al vehículo facilita la movilidad y el manejo para el usuario, con su relación de velocidades eficaz, un bajo costo de piezas, un mantenimiento fácil mejora las opciones para movilidad ecológica.

El sistema de frenado El sistema de frenado cosiste en un sistema de vBrakes. Por la comodidad y dimension de nuestro vehículo.

Sabemos que todo vehículo en movimiento en un momento lleva consigo cierta energía cinética dada por la expresión:   

Donde m es la masa del vehículo, y V la velocidad que éste lleva. Para detener ese vehículo necesitamos igualar la energía cinética que éste tiene con el trabajoque realiza la fuerza de roce de los neumáticos con el pavimento:

Donde

Df = la distancia de frenado

P= peso del vehículo dado por la expresión:  P= m x g

Con g: aceleración de la gravedad y m la masa del vehículo.

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Entonces, reemplazamos P en la fórmula, y queda

Igualando las  expresiones (1) y (2) tendremos:

Resolviendo la ecuación, y la distancia de frenado (Df) queda definida por:

quí comprobamos que el concepto "m" (masa del vehículo) está multiplicando en ambos lados de la igualdad, por lo que podemos eliminarlo 

Resolviendo la ecuación, y la distancia de frenado (Df) queda definida por :

Con una velocidad cosante de 30k/h de nuestro vehículo, sustituimos valores en la formula, por conveniencia propia pasamos los kilómetros por hora a metros por segundo

De la siguiente manera:

=8.333m/seg.

Df=¿¿=69.38m2/ seg .2

7.84 m /seg .2 =69.38 m2/ seg .2

7.84 m /seg .2 =8.8495m

CONCLUSIONES

Un vehículo en movimiento dispone de una energía cinética o trabajo que es equivalente a la fuerza de impulsión por la velocidad media del desplazamiento. Este automóvil sufre una aceleración negativa o desaceleración cuando se aplica una fuerza igual y de sentido contrario a la fuerza que produce movimiento. Es decir, se debe aplicar una fuerza de frenado que anule a la fuerza de impulsión. El efecto de frenado consiste en transformar la energía cinética producida por el vehículo movimiento en calor producido por el rozamiento entre los elementos mecánicos de los frenos. La fuerza de frenado tiene el mismo valor que la fuerza de adherencia o rozamiento y por lo

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30Km 100m 30000m1h 3600seg. 3600seg.

tanto se calculará mediante el producto entre el peso que gravita sobre una rueda y el coeficiente de adherencia entre ella y el suelo, y tiene sentido contrario a la fuerza de impulsión. Como la fuerza de impulsión está determinada por la resistencia que oponen las ruedas a su desplazamiento, la fuerza de frenado que hay que aplicar para detener el vehículo está también en función de la resistencia obtenida en las ruedas.

La fuerza de rozamiento y la de frenado están dirigidas en sentido opuesto al sentido de movimiento. Cuantos mayores sean el rozamiento y la fuerza de frenado, el automóvil tendrá mayor facilidad para frenar.

Fairing.

The design was inspired in a bullet so as to control the resistance of wind, and as it is a compact design it must.

Descripción General

El equipo investigo diferentes métodos para elaborar el Fairing, teniendo en cuenta la durabilidad, la resistencia, la aerodinámica y la seguridad del piloto, además de los costos de diferentes materiales.

Al final de las investigaciones, el equipo del Instituto Tecnológico de Puebla llegó a la conclusión de elaborar el Fairing con fibra de vidrio, porque tiene un alto grado de resistencia al ser combinado con resinas o plásticos y en caso de accidente, puede mantener al piloto seguro.

Metodología.

Para la elaboración del fairing en fibra de vidrio, se tuvieron que elaborar moldes de arcilla.

Una vez listos los moldes, se colocó resina epóxica y catalizador sobre los moldes y una capa de fibra de vidrio. Se dejó secar un día completo la primera capa de fibra de vidrio.

Una vez seca la primera capa de fibra de vidrio, se colocó la segunda capa de resina epoxica y catalizador con otra capa de fibra de vidrio. Se dejo secar esa segunda capa por 1 dia.

Una vez seca la primera y segunda capa de fibra de vidrio, se volvieron a aplicar otras 2 capas con resina epoxica, catalizador y fibra de vidrio con las mismas metodologias.

MedidasEspesor

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Practicidad.La principal practicidad de la fibra de vidrio, es que es fácil de usar, y es un excelente material para diferentes cosas.Es un material que combinado con resinas o sin, es un excelente aislante eléctrico.La fibra de vidrio mezclada con resinas o plásticos, logra reunir las propiedades de ambos materiales, dándole a la resina dureza, solidez, estabilidad química, es lijero y practico.

Es un material resistente al fuego y al agua por sus propiedades químicas y como se dijo anteriormente, tiene la capacidad de soportar fuertes impactos y es un buen aislante térmico.

Timeline 2.5

ADJUNTAR LÍNEA DE TIEMPO(1)

Innovation 2.6

Prestaciones Innovación Efectividad.

The innovation in this vehicle is very noticeable, mainly because it’s has a different desing from what is commonly seen. This design started from the aerodynamics concept, the vehicle is driven in a inclined way what keeps it low and provides less wind resistance.

The position that takes the driver is comfortable and having a support for him in the back privides a better use of force compared to a conventional bicycle. With this we increased speed and power at the start.

The vehicle is (rear-wheel drive) while the pedals are in the front, this means that the chain must cross the entire vehicle and to do this without contact with the driver or the vehicle so we create a device to change the direction of the chain. Initially we tried a (hub gears) to facilitate rotation, after testing we determined that the performance of this system is not suitable as turning the hub has friction which caused premature (wear). Therefore we decided to change this mechanism, adapt a wheel, creating a channel through which the chain goes. The wheel has (bearings) that reduce friction and require little force to rotate so there has a lowest loss of power from the pedals to the rear wheel.

For greater security and stability to move forward and to start, a couple of extra wheels were installed. These are held in two positions as required by the driver. The first when the stabilizing wheels touch the ground and prevent the vehicle from falling, and the second, when the tires are up and not touch the ground, it occupies second position after a good balance is obtained and are no longer necessary.

The handlebar is narrower than normal, it just has the width for each of the hands. Due to the design of the vehicle, handlebar width causes the driver hit the steering wheel with his knees. That’s the reason why we have done a narrower and longer handle, so there is no contact with the driver's knees and the driver gets in a comfortable position to handle.

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-PracticidadDescrita en términos de utilidad general para tareas de rutina (escuela super etc) puede ser usado en la práctica qué condiciones ambientales se trataron y los componentes y sistemas que fueron seleccionados.

3. Análisis (4 PÁGINAS)Esta sección tiene evaluación de la ingeniería del desempeño del vehpiculo y viabilidad

estructural.

-Objetivo-Método de modelaje-Suposiciones-Resultados -Soluciones

Todo esto para cada análisis-Conclusiones Cambios que fueron hechos con los resultados del anális, los resultados hechos.-Anális estructural de la barra de vuelco comentar que se hicieron pruebas tensión y dureza -Análiss estructural de protección lateral-analiza la efectividad teórica del fairing-Ejemplos de análisis asistidos por compu (Solid) Jesús

-Ejemplos suficientes para analizar que analisis fueron usados en el diseño

tanto el presentado para la competencia como un estimado para una producción de veículos por mes

– Costo estimado de vehículo y producción ADRI inversión de capital herramientas, piezas y materiales, mano de obra y gastos generales para una producción 3 años.

Rollover Protection System.

In order to make a safe prototype we designed a frame that absorb sufficient energy in a severe accident to minimize the risk of injury, preventing significan body contact with the people in the event of a fall providing adequate abrasion resistance to protect against sliding across the ground as well as a seatbelt that prevents the driver to fall of during a crash.

4. Pruebas, incluye una discusión de cualquier prueba física desarrollada para

desarrollar el diseño y verificarlo.,

-Los objetivos métodos y resultados deben ser descritos claramente.

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-Los resultados de las pruebas deberán ser comparados con las especificaciones de diseño y predicciones analíticas-Ejemplos suficientes para demostrar el alcance de qué prueba física fue utilizada durante el proceso de diseño:

Esta sección deberá incluir una prueba estructural de

-la barra antivuelco, el sistema de protección lateral-desarrollo de pruebas para verificar o desrrollar -el diseño y las pruebas de desempeño ( Post-prototipo)

5. Testing

5.1Hardness

a) Objective:

The objective of the test of hardness is to select and know the quality control and what kind of steel we would use in the structure of Balám. The method was Rockwell, it is used to corroborate the ressistance of penetration against harder materials.

b) Method:

The hardness is determined by the tread depth, it allow to measure the hardness of hardened steel, this testing practice could be made with two kinds of penetrators, in our testing we used a diamond with 120° that consist in two time penetrations on the superficial part of the metal, the penetrator must be in a prefixed shape, and measure the permanent increment of the penetration depth.

The durometer used to analize the hardness of steel used in the chassis, rollbar, handlebar material is a Matzawa High Sepeed Hardness Tester.

Advantages, it is a Rapid an precise method, it doesn’t need specialized workers, it creates small marks that doesn’t damage the material making this method a non-destructive test.

c) Results:

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The results of the testing in Rockwell HRCIn our testing the results were:

Rockwell C Rockwell B Resistencia a la tracción x1000 psi

-5 7770

-5 77 70

-714

7467

6659

5.2 Pruebas de Tensión

Para saber las características esenciales de los materiales que utilizamos, hicimos 15 probetas de dicho material con las siguientes medidas:

5 probetas fueron utilizadas para la prueba de tensión se realizaron dentro de las Instalaciones del ITP en el laboratorio de mecánica, la máquina utilizada fue INSTRON (foto de la maquina, modelo)

Con lo que se sacaron los siguientes resultados:

Probetas % de Elongación

E=σ p

e p S= EA

1

234

∑ Probetas

Fotos de las 5 probetas fracturadas, y poner la última gráfica de pruebas con sus respectivas dimensiones, junto con algún vídeo de fractura o de las gráficas.

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Impresión 3D (1 PÁGINA)

Prueba de Túnel de viento. (1 PÁGINA)

6. Security-Análisis de riesgos potenciales-cómo maneja el equipo la seguridad de los ocupantes del vehículo, los transéutes y los constructores del vehículos ( la seguridad del taller.0)Características, componentes y sistemas diseñados para mitigar riesgos deberán ser descritos.Cómo fueron establecidos los principios de ingeniería para diseñar los sistemas de seguridad.

Security listAspects Yes No Observatios

Security Belt in case of crash. xRoll bar x

Breakers XPilot protection (Helmet, shoulders, etc) x

Ergonomic seat x Our seat can be adapted for people between 1.50m to 1.80m

Mecanismo de aterrizaje x To move forward and to startThe first when the stabilizing wheels touch the ground and prevent the vehicle from falling, and the second, when the tires are up and not touch the ground, after a good balance is obtained and are no longer necessary.

Pruebas de dureza del material del cuadro

x

Pruebas de tensión x

7. Asthetics (1 PÁGINA)-Basada en la impresión general-Calidad de la artesanía, partes fabricadas, acabados de superficie y ensamblaje.

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Balám is an ergonomic design and actractive to see, it hace mimesis imitando una gota de agua, es un diseño aerodinamico que utiliza fibra de vidrio en el fairig para ser liviano y su construcción práctica, si se necesitan hacer modificaciones o reparaciones el vehículo se presta para ellopara el acabado artesanal se utilizó resina epóxica .Las partes de la transmisión fueron fabricadas en el laboratorio de Manufactura del ITP, utilizamos el Torno Modelo: Colchester Triumph 2000 y Fresadora Kenta

8. Conclusion.(1 PÁGINA Y MEDIA) Comparación (Métodos del diseño)

(Análisis) (Pruebas)

Evaluación Recomendaciones Conclusión Referencias Anexos

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