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DISEÑO DE UN VEHÍCULO DE TRACCIÓN HUMANA EN FIBRA DE CARBONO
Autor:
DANIEL FELIPE BOLAÑOS URREGO
Proyecto de grado
Asesor:
Luis Mario Mateus Sandoval
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C., COLOMBIA
2019
2
Resumen
En este proyecto de grado se propuso y desarrolló el diseño de un vehículo de tracción humana
(VTH) para competencia, utilizando la fibra de carbono como material estructural. Durante el
proceso se realizó una revisión de antecedentes y VTH anteriormente construidos en la universidad
de Los Andes; y se llevó a cabo una investigación bibliográfica sobre aspectos de ergonomía, así
como en métodos de laminación manual de aquella fibra. Teniendo esto en cuenta, se llegó a un
diseño integral y de una sola pieza para el marco. Con el diseño final en computador se efectuaron
simulaciones estáticas, empleando el software Inventor, con el fin de validar lo planteado. Para la
manufactura, se hizo laminado manual utilizando un modelo en poliestireno expandido y un molde
para posterior desmoldeo, dejando resultados satisfactorios. Finalizada la manufactura, se realizaron
pruebas de cargas, replicando las condiciones de uso y los requerimientos de resistencia
establecidos por la competencia Human Powered Vehicle Challenge, de las cuales se obtuvieron
resultados positivos.
Dedicatoria y agradecimientos
A mis padres y mi hermano, a mis compañeros de trabajo y a mis amigos. A todos los que hicieron
parte de este proceso. Al director Luis Mario Mateus y a todo el personal de los laboratorios.
3
Contenido
Lista de tablas .................................................................................................................................... 4
Lista de ilustraciones ......................................................................................................................... 4
1. Introducción ............................................................................................................................... 6
2. Objetivos .................................................................................................................................... 7
2.1. General ................................................................................................................................ 7
2.2. Específicos .......................................................................................................................... 7
3. Antecedentes .............................................................................................................................. 8
4. Marco teórico ........................................................................................................................... 10
4.1. Fibra de Carbono ............................................................................................................... 10
4.2. Ergonomía ......................................................................................................................... 13
4.3. Partes estándar ................................................................................................................... 17
5. Diseño ....................................................................................................................................... 19
5.1. Preliminar .......................................................................................................................... 19
5.2. Detallado ........................................................................................................................... 21
6. Validación ................................................................................................................................ 27
7. Manufactura ............................................................................................................................ 32
8. Pruebas ..................................................................................................................................... 39
9. Recomendaciones .................................................................................................................... 43
10. Conclusiones ............................................................................................................................ 43
11. Trabajo futuro ......................................................................................................................... 44
Referencias ....................................................................................................................................... 45
Anexos .............................................................................................................................................. 47
4
Lista de tablas
Tabla 1. Nomenclatura para la Ilustración 10 ................................................................................... 14 Tabla 2. Cuadro comparativo entre diferentes VTH comerciales para competencia. *: valor medido
con una escala ................................................................................................................................... 17 Tabla 3. Requerimientos de la jaula de seguridad para el HPVC. [2] ............................................... 29
Lista de ilustraciones
Ilustración 1. Ejemplos de vehículos de tracción humana. [1] ............................................................ 6 Ilustración 2. Vehículos para competencia de Uniandes: Senecar (2011), RTO-405 (2012),
Chimuelo Mark 3(2016). [3] [4] ......................................................................................................... 8 Ilustración 3. Chasis desarrollado por Terán después del laminado y ensamblado en un VTH. [5] ... 9 Ilustración 4. VTH "Carbon One", diseñado por el grupo de investigación. ...................................... 9 Ilustración 5. Propiedades de los materiales de ingeniería más comunes. [9]................................... 10 Ilustración 6. Presentaciones comunes de fibra de carbono. (a) Tela. (b) Cinta. (c) Manga. [10] .... 11 Ilustración 7. Técnicas de laminado manual. (a) Molde [11]. (b) Modelo [12]. ............................... 11 Ilustración 8. Esquema de la técnica de bolsa de vacío. [10] ............................................................ 12 Ilustración 9. Propiedades mecánicas para la resina INF 211/114 para diferentes temperaturas y
tiempos de curado. [13] ..................................................................................................................... 13 Ilustración 10. Esquema con las principales dimensiones para el diseño de un VTH. ..................... 14 Ilustración 11. Potencia anaeróbica vs Ángulo medio de la cadera β. [18]. ...................................... 15 Ilustración 12. Potencia requerida para manejar un VTH como función de la velocidad. [19] ........ 16 Ilustración 13. Modelos comerciales de VTH: (a) Carbon Fiber Dual 700C Quasi-Lowracer. (b)
Dual 700C Quasi-Lowracer. (c) The Velokraft NoCom. (d) Carbon Low Racer. (e) M5 Carbon
High Racer. (f) Carbon Medium Racer ............................................................................................. 17 Ilustración 14. Dimensiones principales de una manzana Shimano de 10 velocidades. ................... 18 Ilustración 15. Plano de uña (o dropout) comercial. ......................................................................... 18 Ilustración 16. Primer boceto. ........................................................................................................... 20 Ilustración 17. Segundo boceto. ........................................................................................................ 20 Ilustración 18. Boceto final con las medidas adecuadas. .................................................................. 21 Ilustración 19. Evolución del diseño del marco. (a) primera extrusión. (b) empalmes y chaflanes. (c)
resultado final (vista 1). (d) resultado final (vista 2)l. ....................................................................... 22 Ilustración 20. Diseño de las uñas para cada lado del tenedor trasero. ............................................. 23 Ilustración 21. Diseño de la protección superior. .............................................................................. 24 Ilustración 22. CAD final. ................................................................................................................. 25 Ilustración 23. CAD final en diferentes perspectivas. ....................................................................... 25 Ilustración 24. Modelo CAD del VTH completo con piloto. ............................................................ 26 Ilustración 25. Modelo CAD del VTH completo .............................................................................. 26 Ilustración 26. Configuración de las simulaciones. ........................................................................... 27 Ilustración 27. Diagrama de fuerzas y apoyos para el peso del piloto. ............................................. 28 Ilustración 28. Coeficiente de seguridad según el peso del piloto. ................................................... 28 Ilustración 29. Coeficiente de seguridad para la protección superior. .............................................. 30 Ilustración 30. Desplazamiento para la protección superior. ............................................................ 30 Ilustración 31. Coeficiente de seguridad para la protección lateral................................................... 31 Ilustración 32. Desplazamiento para la protección lateral................................................................. 31 Ilustración 33. Modelo del marco en poliestireno de alta densidad .................................................. 32
5
Ilustración 34. Dropouts termiandos. ................................................................................................ 33 Ilustración 35. Marco despues de laminar con fibra de carbono. ...................................................... 33 Ilustración 36. Marco en vacío dentro del horno............................................................................... 34 Ilustración 37. Protección superior. Pieza y molde. .......................................................................... 35 Ilustración 38. Estructura tubular en aluminio. ................................................................................. 35 Ilustración 39. Acople entre el marco y las uñas. .............................................................................. 36 Ilustración 40. Unión entre el marco y el soporte delantero (proyecto de grado de Simón Frattini). 36 Ilustración 41. Ensamble avanzado con las dos ruedas, el tenedor y el pedalier. ............................. 37 Ilustración 42. Ensamble con todos los componentes principales. ................................................... 37 Ilustración 43. Producto final ............................................................................................................ 38 Ilustración 44. Montaje para la primera prueba: peso del piloto. ...................................................... 39 Ilustración 45. Resultados para la primera prueba: peso del piloto. .................................................. 40 Ilustración 46. Montaje para la segunda prueba: protección superior. .............................................. 41 Ilustración 47. Resultados para la segunda prueba: Protección superior. ......................................... 41 Ilustración 48. Montaje para la tercera prueba: protección lateral. ................................................... 42 Ilustración 49. Resultados para la tercera prueba: protección lateral. ............................................... 42
6
1. Introducción
Los vehículos de tracción humana (VTH) son sistemas mecánicos cuya fuente de energía es la
fuerza muscular de una persona. Son, con frecuencia, utilizados como medio de transporte, aunque
se han venido presentando aplicaciones deportivas e incluso se emplean como ayuda para personas
con algún tipo de discapacidad física. Dentro de los VTH más comunes se pueden encontrar los
monopatines, patinetas, patines, bicicletas, triciclos, sillas de ruedas y botes de remos, aunque
también existen vehículos submarinos y aéreos de tracción humana (Ilustración 1).
Ilustración 1. Ejemplos de vehículos de tracción humana. [1]
Se considera pertinente el uso de los VTH teniendo en cuenta los beneficios que proveen. En primer
lugar, se pueden emplear como alternativa al transporte, permitiendo, de acuerdo con su diseño,
trasladar al usuario sin requerir combustibles u otras fuentes de energía que suponen emisiones
contaminantes. De otra parte, al ser vehículos que funcionan únicamente con la fuerza muscular que
una persona es capaz de generar, promueven el deporte y ayudan notoriamente a la salud física del
usuario. Por último, en el campo médico, podrían ser empleados como herramienta por personas
con movilidad reducida para transportarse de una manera sencilla.
Ahora, la Asociación Americana de Ingeniería Mecánica (ASME por sus siglas en inglés) promueve
espacios de competencia para estimular a los estudiantes de diferentes universidades del mundo a
aplicar los conocimientos aprendidos durante la carrera ejerciendo el diseño, manufactura y
ejecución de proyectos. Precisamente, uno de estos espacios es el Desafío de Vehículos de Tracción
Humana (Human Powered Vehicle Challenge, o HPVC), en el cual “se brinda una oportunidad para
los estudiantes de demostrar la aplicación de los principios del diseño en ingeniería en el desarrollo
de alternativas para el transporte que resulten prácticas y sostenibles” [2]
El HPVC es un reto interesante puesto que es un concurso de diseño con diferentes requerimientos
y restricciones. La competencia de VTH tiene distintas modalidades, como las pruebas de
resistencia, velocidad y diseño; y, además del resultado final, se debe presentar un reporte escrito
evidenciando los criterios de diseño, modelamientos y ensayos. También se debe incluir una
presentación técnica del sistema junto con un video en el que se muestre el cumplimiento de los
requisitos de seguridad. Todas las normas y otras exigencias se encuentran disponibles en línea, en
la página web del evento.
7
La universidad de los Andes ha estado presente en múltiples ediciones del HPVC, en su versión
suramericana. La participación de la universidad ha sido bastante exitosa, habiendo obtenido muy
buenos resultados en todas las categorías. En los años 2018, 2015 y 2013, el equipo uniandino logró
el primer lugar en todas las modalidades de la competencia, y en el 2014 se ocupó el tercer puesto
en la planilla general. A pesar de los buenos resultados, se quiere seguir innovando y presentando
mejoras en el diseño de estos vehículos.
Bajo este contexto, surge la motivación de seguir trabajando en el diseño de VTH. Utilizando lo
aprendido en proyectos anteriores y la experiencia en las competencias, se pretende llegar a un
modelo nuevo que tenga en cuenta factores de ergonomía, antropometría y, por supuesto, los
requerimientos y restricciones de la competencia. Este proyecto tiene como punto de partida la
necesidad de reducir el peso del vehículo, ya que después de las iteraciones anteriores, se ha
concluido que es esta variable la que mayor influencia tiene sobre la velocidad, en condiciones de
competencia. Por esta razón se han realizado cambios importantes en los diseños, como por
ejemplo, usar dos ruedas en vez de tres, y emplear la fibra de carbono como material estructural por
su buena relación propiedades – densidad.
En este documento se presenta el proceso de diseño de un VTH en fibra de carbono. Para ello, se
empieza por una revisión detallada de antecedentes en la Universidad de Los Andes, se pasa por
una investigación sobre ergonomía y procesamiento de fibra de carbono, y se finaliza con una
propuesta del diseño global del sistema y la ruta de manufactura para su desarrollo. Este proceso es
un trabajo en conjunto, en el cual se unen tres proyectos de grado para dar como resultado el VTH
final. A Simón Frattini, le corresponde la parte delantera del vehículo (conjunto tenedor-manubrio y
pedalier); y a Juan Sebastián Rojas, el carenado.
2. Objetivos
2.1. General
Diseñar un vehículo de tracción humana en fibra de carbono
2.2. Específicos
- Investigar y ejecutar métodos de manufactura con fibra de carbono al alcance de los recursos y
equipos disponibles en la Universidad de Los Andes.
- Manufacturar un vehículo de tracción humana adaptable al VTH de la Universidad de los
Andes.
- Realizar simulaciones del comportamiento un vehículo de tracción humana bajo condiciones
de competencia
8
3. Antecedentes
Como se mencionó anteriormente, en la Universidad de Los Andes se han hecho numerosos
proyectos que involucran el diseño de un VTH. La Ilustración 2 muestra diferentes modelos que se
han materializado y competido en el desafío de ASME. Es notoria la evolución. A simple vista
pareciera que los sistemas han reducido su peso y se han enfocado en mejorar las cuestiones
ergonómicas y aerodinámicas. A continuación, se mencionan y comentan algunos de los trabajos de
grado desarrollados por estudiantes de la Universidad con el fin de establecer qué se ha hecho y qué
se podría mejorar.
Ilustración 2. Vehículos para competencia de Uniandes: Senecar (2011), RTO-405 (2012), Chimuelo Mark 3(2016). [3]
[4]
Daniel Terán Leguizamón, en el año 2017, para su proyecto de grado, diseñó y manufacturó el
chasis de un VTH en fibra de carbono (Ilustración 3). Para ello, utilizó un modelo en poliestireno de
alta densidad y lo recubrió, laminando manualmente con fibra de vidrio y fibra de carbono. Para el
curado del compuesto, Terán empleó la técnica de bolsa de vacío, lo cual consiguió usando un tubo
de Venturi que “con un suministro de presión positiva en el laboratorio crea una presión negativa en
la bolsa” [5]. Con este diseño consiguió disminuir el peso en 3 kg con respecto a un VTH
construido anteriormente. Probó la resistencia del chasis sometiéndolo a cargas de hasta 800 N, con
el fin de comprobar que la elongación se encontrase dentro del rango permitido. Concluyó que con
la fibra de carbono se pueden conseguir geometrías interesantes, lo que permite conseguir secciones
transversales optimas y que, con los equipos disponibles en la Universidad, es posible la
construcción de elementos mecánicos complejos.
9
Ilustración 3. Chasis desarrollado por Terán después del laminado y ensamblado en un VTH. [5]
Por otro lado, el grupo de investigación de VTH de la Universidad, en el año en curso, fabricó, bajo
el marco de la competencia HPVC llevada a cabo en Lima, Perú, un VTH en su mayoría con
recubrimientos de fibra de carbono. A diferencia del modelo propuesto por Terán, en esta ocasión
se utilizaron núcleos de tubos de aluminio de una pulgada de diámetro y pared delgada de
aproximadamente 1.2 mm de espesor. También, por tratarse del desafío propuesto por ASME, había
requerimientos de seguridad, como el sistema de frenado y la jaula de seguridad. Se hicieron
pruebas en donde se sometía el chasis a una carga vertical de 2670 N, en el punto más alto; y una
carga horizontal de 1330 N, en las barras laterales. El tenedor, también hecho en fibra de carbono
con un núcleo de nylon prototipado, es el resultado del proyecto de grado de Miguel Ángel Pinzón
[6]. Los miembros del grupo sugieren “establecer una guía de manufactura y un proceso de
construcción más rápida y adecuada” [7], y comentan la pertinencia de remplazar el núcleo de
aluminio. Este proceso de diseño fue bastante exitoso y además se consiguieron muy buenos
resultados en la competencia.
Ilustración 4. VTH "Carbon One", diseñado por el grupo de investigación.
10
Lo anterior deja en claro la viabilidad del proyecto. Ya se han podido manufacturar vehículos de
tracción humana con las tecnologías disponibles en la Universidad, lo cual ha estimulado la
adquisición de nuevos equipos y herramientas que pueden llegar a facilitar el proceso. Los dos
diseños presentados anteriormente son casos cercanos a este proyecto, puesto que tienen objetivos y
contextos similares y, sin duda, son excelentes referentes en el desarrollo del nuevo diseño que
ahora proponemos.
4. Marco teórico
4.1. Fibra de Carbono
La fibra de carbono hace referencia a “fibras que contienen al menos el 92% en peso de carbón
en su composición” [8]. La fibra de carbono es reconocida en la industria vehicular,
aeroespacial y deportiva, ya que tiene una alta resistencia mecánica y baja densidad, en
comparación con otros materiales estructurales, además de permitir geometrías irregulares. En
la Ilustración 5 se enuncian las principales propiedades de la fibra de carbono, en comparación
con otros materiales de ingeniería. A partir de filamentos delgados, de no más de 15 µm de
diámetro, se pueden obtener diferentes presentaciones como tejidos, cintas y mangas
(Ilustración 6)
Ilustración 5. Propiedades de los materiales de ingeniería más comunes. [9]
11
(a)
(b)
(c)
Ilustración 6. Presentaciones comunes de fibra de carbono. (a) Tela. (b) Cinta. (c) Manga. [10]
Teniendo en cuenta los proyectos con fibra de carbono desarrollados en la universidad hasta el
momento y con base en su éxito y recomendaciones, para la manufactura de este diseño se
empleará la técnica de laminado manual, ya que, además de no tener altos requerimientos
técnicos para su desarrollo, es un proceso económico, no es obligatorio el uso de técnicas de
vacío, se pueden emplear diversos tipos de resinas y es posible laminar varias capas
simultáneamente [5].
El laminado manual se puede hacer de diferentes formas, dependiendo de las necesidades de
diseño de las piezas. Usualmente, se emplean moldes positivos o negativos, en los cuales la
fibra se adapta a la forma y cuando se encuentra completamente curada, se retira la pieza, dando
como resultado una parte únicamente en fibra de carbono. También, es posible emplear
modelos en materiales livianos (honeycomb, poliestireno expandido, aluminio, etc.), los cuales
son cubiertos completamente por la fibra. El resultado final es la geometría deseada con un
núcleo del material del modelo. Este último método es menos usado, pero tiene diversas
aplicaciones en construcción de vigas y artículos deportivos, ya que permite geometrías
complicadas. La Ilustración 7 explica estos dos procesos.
(a)
(b)
Ilustración 7. Técnicas de laminado manual. (a) Molde [11]. (b) Modelo [12].
Las dos metodologías descritas anteriormente requieren de un proceso similar. Si se utiliza un
molde, este debe tener un acabado superficial por lo menos igual al que se desea obtener.
Después se aplica un desmoldante (usualmente cera carnauva o alcohol polivinílico PVA) para
12
permitir retirar la pieza al final. El laminado comienza con una capa de resina en el molde, y
cuando llega a un estado pegajoso, se coloca la primera capa de fibra y sobre esta, nuevamente
resina. Si así se requiere, se pueden colocar más capas de fibra siguiendo el mismo
procedimiento, aunque se recomienda un máximo de 3 por sesión. La cantidad de resina a
aplicar depende del tipo de la misma, aunque usualmente es el equivalente en peso a la cantidad
de fibra de carbono. Si se quiere laminar después de que el compuesto se ha secado, es
necesario lijar la pieza para garantizar mayor adhesión entre capas. En el caso de emplear un
modelo, se procede de manera similar, con la excepción de que no se necesita desmoldante, y el
acabado superficial del modelo no afecta la estética del producto final.
En cuanto al tiempo de espera para que el compuesto de fibra de carbono y resina o curado, se
puede decir que es un aspecto clave en el laminado, pues esto incidirá, en gran parte, sobre las
propiedades mecánicas que logrará la pieza. Aunque depende del tipo de resina y del sistema de
laminado, hay procesos que aceleran el curado y que permiten llegar a las propiedades
nominales del compuesto. Se recomienda fuertemente emplear la técnica de vacío en la pieza,
con el fin de mantener el laminado compacto al molde y para eliminar los posibles excesos de
resina. La Ilustración 8 muestra un esquema del método de bolsa de vacío o vacum bagging.
También, aumentar la temperatura de curado permite retirar posibles burbujas de aire, así como
disminuir el tiempo de secado. En la Ilustración 9 se muestran las propiedades mecánicas para
la resina epóxica INF 211/114, empleada anteriormente en la Universidad.
Ilustración 8. Esquema de la técnica de bolsa de vacío. [10]
13
Ilustración 9. Propiedades mecánicas para la resina INF 211/114 para diferentes temperaturas y tiempos de curado. [13]
Adicional a esto, las técnicas de vacío garantizan que, en geometrías complicadas, no se crearán
burbujas o resaltos de la fibra, cosa que generaría discontinuidades y concentradores de
esfuerzos. Emplear la técnica de vacío y calor, en síntesis, mejorará la apariencia del laminado,
garantizará la continuidad de la fibra en cada punto de la pieza, evitará levantamientos de las
capas y mejorará las propiedades mecánicas (dureza, resistencia a la tracción, resistencia al
impacto y módulo tensil) hasta en un 20% [14].
4.2. Ergonomía
En esta sección se puede encontrar un resumen de los aspectos ergonómicos que se deben
considerar al momento de diseñar un VTH, junto con una revisión de vehículos para carreras
previamente manufacturados. Con lo anterior se espera conocer cuáles son las medidas de
mayor importancia y poder decidir sus magnitudes. Es importante mencionar que hay diferentes
teorías sobre las posiciones óptimas para el pedaleo, que dependen de la finalidad del VTH
(competencia, turismo, recreación, asistencia médica, etc.). En este caso, interesa únicamente lo
referente a diseños deportivos. También cabe aclarar que, si bien existen informes académicos
en los cuales se estudia con detalle los parámetros de ergonomía, algunas recomendaciones
provienen de personas con experiencia y conclusiones empíricas.
Para comenzar, la posición del cuerpo en un VTH es de suma importancia, ya que de esto
dependen cuatro factores principales: i) comodidad del piloto, que puede llegar a ser crucial
cuando se requiere utilizar el vehículo durante largas distancias o periodos de tiempo; ii)
visibilidad del piloto, importante a tener en cuenta cuando se maneja en recorridos no uniformes
o con obstáculos; iii) entrega de potencia, ya que existen posiciones optimas en las que la
eficiencia mecánica es máxima; y por último, iv) aerodinámica, lo que depende del área
proyectada en la dirección de movimiento. Encontrando un balance entre estas cuatro
características, se puede llegar a un diseño adecuado, que permita una buena maniobrabilidad,
sin descuidar las necesidades de competencia.
En la Ilustración 10 se muestra un esquema con las principales dimensiones y la Tabla 1 indica
la descripción de cada una. Esta representación servirá como referencia para comparar las
diferentes fuentes de información, y asimismo concluir sobre las medidas importantes.
14
Ilustración 10. Esquema con las principales dimensiones para el diseño de un VTH.
Tabla 1. Nomenclatura para la Ilustración 10
Símbolo Descripción
α Ángulo entre la cabecera y la horizontal
β Ángulo entre el torso y el muslo (formado por HCR)
γ Ángulo entre el asiento y la horizontal
θ Ángulo entre el espaldar y la horizontal
φ Ángulo entre el muslo y la antepierna (formado por CRT)
ω Ángulo formado por HCP
C Punto en la cadera
H Punto en el hombro
P Punto en el pedalier
R Punto en las rodillas
T Punto en los tobillos
br Distancia entre los ejes de las ruedas
as Altura entre el piso a la silla
ap Altura entre el piso y el pedalier
Utilizando la información antropométrica que ofrece la NASA [15] y basándose en la
experiencia propia y de otros constructores, Henry Thomas, entusiasta de las bicicletas
recostadas, en su portal web Jetrike, realiza una descripción de un método para encontrar la
geometría que debería tener un VTH para la comodidad del piloto. En su informe, Thomas
sugiere en primer lugar que θ debería estar entre 30° y 40°. Dice que un ángulo por encima de
este rango implica incomodidad y pérdidas aerodinámicas, que un ángulo inferior a los 30°
requiere de gran habilidad por parte del piloto y reduce notablemente la visibilidad. Sugiere
también una altura as de 400 mm ya que permite apoyar completamente el pie en el suelo
cuando se está en reposo, y una altura ap de 500 mm, la cual depende del ángulo θ. Por último,
recomienda que la distancia entre C y P esté entre 630 y 930 mm, para unas bielas de 170 mm
de radio [16].
15
Por otra parte, el grupo de investigación de VTH de la Universidad Politécnica Estatal de
California, en un informe para la ASME, sugieren, basándose en la antropometría para
corredores de triatlón, usar un ángulo φ máximo de 155°, para maximizar la potencia y evitar
lesiones a largo plazo [17]. De la misma manera, aconsejan un ángulo β de 130° como máximo.
En contraste, el investigador Danny Too, en una publicación para la Universidad Estatal de
Nueva York, encontró que el punto óptimo para este ángulo, en cuanto a la maximización de
potencia entregada, es en un valor medio de 75° (para un ángulo β máximo de 97°) [18]. Esta
discrepancia se puede deber principalmente a que el primer valor (β =130°) tiene un enfoque
hacia los VTH para competencia, mientras que el segundo (β =97°) es el resultado bajo
condiciones de laboratorio, en donde la resistencia del aire no influye.
Ilustración 11. Potencia anaeróbica vs Ángulo medio de la cadera β. [18].
Ahora, el profesor del Grove City College en Pensilvania, Mark Archibald, dice que el ángulo
ω depende fuertemente del entrenamiento del corredor; sin embargo, un rango entre 130° y
140° es óptimo para esta medida. También menciona que tener el pedalier sobre el nivel de la
cadera presenta ventajas sobre tener el pedalier por debajo de dicha altura, ya que, si bien en el
segundo caso la potencia entregada es mayor, en la primera configuración se reduce el área
frontal [19]. Como la potencia necesaria para superar la resistencia del viento aumenta con el
cubo de la velocidad, tener el pedalier sobre la cadera (en ángulo negativo) presenta un mayor
beneficio mecánico, reflejado en la Ilustración 12.
16
Ilustración 12. Potencia requerida para manejar un VTH como función de la velocidad. [19]
Adicionalmente, Archibald menciona la importancia de la longitud entre los ejes de las ruedas
br, ya que esta medida afecta notablemente la estabilidad del vehículo cuando este se mueve a
bajas velocidades. Esta dimensión y el cálculo para la estabilidad se trata con detalle en el
proyecto de grado de Simón Frattini.
Para cerrar, la Ilustración 13 muestra diferentes modelos de VTH diseñados especialmente para
competencias. En la Tabla 2 se hace una comparación de algunas de sus medidas, para obtener
un panorama de las dimensiones que tienen los vehículos de carreras y poder contrastar y/o
validar lo encontrado previamente.
(a)
(b)
(c)
(d)
17
(e)
(f)
Ilustración 13. Modelos comerciales de VTH: (a) Carbon Fiber Dual 700C Quasi-Lowracer. (b) Dual 700C Quasi-
Lowracer. (c) The Velokraft NoCom. (d) Carbon Low Racer. (e) M5 Carbon High Racer. (f) Carbon Medium Racer
Tabla 2. Cuadro comparativo entre diferentes VTH comerciales para competencia. *: valor medido con una escala
Dimensión Carbon
Fiber Dual
700C
Quasi-
Lowracer
Dual 700C
Quasi-
Lowracer
The Velokraft
NoCom
Carbon
Low
Racer
M5
Carbon
High
Racer
θ [°] 15 13 15 – 18 * 19 18° - 23°
α [°] * 61 50 57 47 55
ω [°] * 150 153 150 146 140
γ [°] * 15 15 18 25 30
ap [mm] 533.4 482.6 375 * 508 * 785
as [mm] 406.4 304.8 170 * 250 520
br [mm] 1397 1320.8 1447.8 1430 1340
Referencia [20] [20] [20] [21] [22]
Después de analizar las medidas de los vehículos y de consultar sus diseños, se puede inferir
que estas dimensiones están dirigidas a VTH para competencia. A esto se atribuyen los ángulos
bajos, la poca altura del asiento y la tendencia a mantener el cuerpo del piloto lo más acostado
posible (ángulo ω alto). Pareciera que con estas características se renuncia a factores como
visibilidad o maniobrabilidad a cambio de ventaja aerodinámica. Esto es completamente válido
si se tratase de una competencia únicamente de velocidad. Sin embargo, por las condiciones del
desafío de ASME, es necesario tener en cuenta dichos factores.
4.3. Partes estándar
Si bien el diseño es completamente nuevo, es necesario utilizar partes comerciales. A
continuación, se enuncian las piezas comerciales que se deben tener en cuenta para el diseño.
Primero, se empleará, en la rueda trasera, una manzana de cambios Shimano de 10 velocidades,
disponible en la Universidad. Es importante conocer la longitud total de este componente, ya
que esta medida dictará la dimensión de la parte trasera del marco. Como se puede ver en la
Ilustración 14, dicha medida en una manzana para bicicletas de ruta es de 130 mm, para el caso
18
de 10 velocidades; y 131, para 11 velocidades. Esta pieza presenta una nueva restricción al
diseño, que se mencionará más adelante.
Ilustración 14. Dimensiones principales de una manzana Shimano de 10 velocidades.
Asimismo, para poder utilizar un sistema de transmisión variable, es preciso emplear un sistema
de tensor, para que la cadena pueda estar completamente estirada en cada combinación de
cambios. Estos sistemas se acoplan mediante un tornillo al marco de la bicicleta, por lo que se
hace necesario manufacturar un agujero roscado para tal fin. La Ilustración 15 muestra el plano
para una uña, lo que permite tener una referencia sobre las dimensiones que se deberían
emplear (radios de los agujeros y longitud entre el eje de las ruedas y el centro del agujero
roscado) para garantizar el funcionamiento del tensor.
Ilustración 15. Plano de uña (o dropout) comercial.
19
5. Diseño
Antes que nada, es preciso establecer cuáles son los requerimientos de diseño y qué restricciones
existen para la ejecución del proyecto. Para esto, se tendrá en cuenta lo encontrado en parte de
investigación junto con el reglamento del HPVC de ASME.
Requerimientos:
- El diseño debe ser ergonómico para el piloto, teniendo en cuenta la talla de los
competidores de la universidad.
- El diseño debe ser aerodinámico, sin afectar la visibilidad del piloto.
- El vehículo debe contar con una estructura segura, tal que evite que el tren superior del
piloto toque el piso en cualquier posición.
- El peso del marco debe ser lo más liviano posible, siendo este alrededor de 5 kg.
- El vehículo debe tener un sistema de anclaje para un cinturón de seguridad.
- Debe ser estructuralmente resistente, capaz de soportar una carga vertical de 2700 N en
su punto más alto, y una carga horizontal de 1330 N en los lados.
Restricciones:
- La rueda trasera es de tamaño 700C (700 mm de diámetro) y la delantera de 20
pulgadas (508 mm de diámetro).
- La transmisión de potencia debe ser a la rueda trasera.
- Debe haber espacio suficiente para ajustar la rueda trasera empleando un grupo de
piñones Shimano 105 de 11 velocidades.
5.1. Preliminar
Teniendo en cuenta los criterios de diseño definidos anteriormente, se comenzó a plantear la
geometría. Para ello, inicialmente se hicieron dos bocetos de la vista lateral de lo que sería el
VTH. Si bien son similares, cada cual es realizado desde un aproximamiento diferente: para el
primer caso, Ilustración 16, se quiso reflejar los ángulos máximos sugeridos entre el torso y el
muslo; y entre el muslo y la antepierna de 130° y 155° respectivamente. [17] Y en la Ilustración
17, se tomó el ángulo máximo entre el torso y la línea cadera – pedalier como 140°, según
recomienda Archibald [19]. En este segundo caso también se empleó el ángulo entre el muslo y
la antepierna como 155°. Al establecer las posiciones máximas, se puede tener una idea de la
ubicación del pedalier con respecto al cuerpo del piloto. En los dos eventos, se tomó un ángulo
del espaldar como 20°, puesto que es una inclinación bastante favorable frente a la resistencia
del aire. Igualmente, en ambos bocetos se asumió una distancia entre las ruedas de 1400 mm.
20
Ilustración 16. Primer boceto.
Ilustración 17. Segundo boceto.
De los dibujos anteriores se pueden destacar algunos aspectos. En el primer caso, el ángulo ω
excede el máximo recomendado (142° > 140°), mientras que en el segundo, el ángulo β está por
debajo del límite superior (127 < 130°). Además, se puede notar cierta interferencia entre la
circunferencia del recorrido de los pedales (círculos con línea discontinua) y la rueda delantera.
Teniendo esto en cuenta, se decidió basar el diseño principalmente con el criterio de Mark
Archibald, aunque sin descuidar las recomendaciones de los ángulos corporales.
Una vez establecidas las principales dimensiones y cumplido el requerimiento de ergonomía, se
procedió a iterar con diseños. En esta etapa, se tuvo en cuenta con mayor énfasis otros criterios
de diseño, como la seguridad y visibilidad. Antes de desarrollar un diseño con mayor detalle, se
establecieron definitivamente las dimensiones importantes. Esta vez, se trabajó en conjunto con
Simon Frattini, quien utilizó el criterio de Patterson [19] para garantizar la estabilidad del
vehículo. Adicionalmente, se empleó un modelo de una persona, disponible en línea [23], para
21
tener en cuenta la escala y brindar un apoyo visual. Después de este análisis, se llegó al boceto
mostrado en la Ilustración 18.
Ilustración 18. Boceto final con las medidas adecuadas.
Los cambios más importantes son: la distancia entre los ejes de las ruedas disminuye a 1200
mm, para garantizar estabilidad a velocidades bajas, la distancia entre el punto bajo de la silla y
el eje delantero es de 450 mm; y el ángulo de inclinación aumenta a 30° para mejorar la
visibilidad. La posición relativa del pedalier a la cadera del piloto también cambia, por lo que se
mantienen las condiciones máximas de operación. Con esto en mente, se procedió a comenzar
el diseño completo del vehículo. Las ilustraciones 16, 17 y 18 se encuentran anexas, para que
puedan ser estudiadas con mayor detalle y comodidad.
5.2.Detallado
Antes que nada, es importante mencionar que, al emplear la fibra de carbono como material de
manufactura, se pueden llegar a construir geometrías complejas. También, puede llegar a ser
complicado realizar un modelo teórico para el cálculo de esfuerzos, ya que la resistencia del
material y el perfil geométrico (secciones transversales), dependen del número de capas de fibra
superpuestas y la orientación de las mismas. Por esa razón, en estos casos es recomendado
realizar simulaciones estáticas, para validar más que la geometría, la cantidad de fibra de
carbono utilizada, bajo las condiciones de carga la competencia HPVC, descritas anteriormente.
Comenzando esta etapa, se dividió el diseño en tres partes principales: el marco, la parte que
contiene el asiento y donde el piloto reposa; los tubos de seguridad, que se encargan de que el
piloto se encuentre resguardado por los lados; y la protección superior, encargada de la
indemnidad del piloto por la parte de arriba. A continuación, se menciona el proceso de diseño
para cada una de estas partes.
22
El marco parte del boceto definido anteriormente, el cual representa una vista de perfil. Con
esto, al agregar un espesor y un ancho, se tendría una primera aproximación al marco.
Posteriormente, para elaborar el tenedor trasero, donde reposa la rueda, se debieron considerar
dos factores. Primero, el tamaño de la rueda, que ya se había establecido que tendría un
diámetro de 700 mm, y segundo, la distancia entre cada soporte, que debe ser la apropiada para
la manzana de cambios a utilizar, igualmente ya definida como 131 mm. De esta forma, se pudo
realizar la geometría de la parte trasera. Finalmente, se debe garantizar facilidad para laminar
con la fibra de carbono. Para ello, es necesario suavizar todas las aristas y evitar, en la medida
de lo posible, ángulos de 90° o menores. Por eso se realizaron chaflanes y empalmes en todos
los vértices. El proceso se evidencia en la Ilustración 19.
(a)
(b)
(c)|
(d)
Ilustración 19. Evolución del diseño del marco. (a) primera extrusión. (b) empalmes y chaflanes. (c) resultado final (vista
1). (d) resultado final (vista 2)l.
De igual manera, fue necesario diseñar las uñas donde ensambla la rueda al marco. Teniendo en
cuenta las dimensiones estándar de una uña o Dropout para bicicleta, estudiado anteriormente,
se confeccionaron las piezas. Si bien debe haber uñas en los dos lados, solo una cuenta con
espacio para el tensor de los cambios. Sin embargo, la geometría en los dos lados debe ser
consistente para garantizar la simetría y alineación de la rueda. En la Ilustración 20 se muestran
los diseños para cada una.
23
Ilustración 20. Diseño de las uñas para cada lado del tenedor trasero.
De estas piezas es importante resaltar el espesor, puesto que tiene que ser el adecuado para que
pueda ensamblar en el eje de la rueda. Asimismo, la geometría alargada es conveniente ya que
puede facilitar la unión al resto del marco. Además, la uña del lado izquierdo cuenta con un
agujero roscado para acoplar el tensor y una cara plana para un ajuste con prisionero.
En cuanto a la protección superior, se decidió realizar una especie de caja, cuya cara inferior
tiene una geometría consistente con el marco. En esta parte del diseño fue importante tener en
cuenta que el piloto, por reglamento de la competencia, debe utilizar un casco de seguridad. Por
eso, el ancho y alto de esta pieza debía ser suficiente para que el piloto quede cómodamente
ubicado llevando consigo ese elemento de seguridad.
24
Ilustración 21. Diseño de la protección superior.
Finalmente, para la protección lateral, se pensó en una estructura tubular que cubriera desde la
cadera, pasando por los hombros y terminando en la cabeza. Este sistema se debe poder anclar
tanto al marco como a la protección superior. Por ello, los factores más importantes a tener en
cuenta son el ancho de una persona en los hombros, el punto del asiento donde reposa la cadera
y la altura máxima que alcanza el vehículo con la protección superior. Asumiendo el ancho de
los hombros como 550 mm, y con apoyo visual del ensamble parcial (marco y protección
superior) se diseñó el tubo de la protección lateral.
En la Ilustración 22 se puede ver el ensamble de los tres componentes principales. La
Ilustración 24 muestra en ensamble completo de todo el VTH, incluyendo la parte delantera,
correspondiente al proyecto de Simón Frattini, con la ayuda visual de las ruedas y un piloto para
entender mejor las proporciones
25
Ilustración 22. CAD final.
(a)
(b)
(c)
Ilustración 23. CAD final en diferentes perspectivas.
26
Ilustración 24. Modelo CAD del VTH completo con piloto.
Ilustración 25. Modelo CAD del VTH completo
27
6. Validación
Como se mencionó previamente, al diseñar con fibra de carbono, resulta sumamente útil emplear
herramientas de simulaciones, puesto que las geometrías pueden llegar a ser complicadas y no
homogéneas; las propiedades del material compuesto dependen del número de capas y el tipo de
resina; y realizar ensayos mecánicos para comprobar la resistencia de la pieza puede ser costoso.
Entonces, para validar el diseño propuesto, tener una primera noción sobre el número de capas de
fibra de carbono a emplear y conocer los puntos críticos en el ensamble, se realizaron simulaciones
estáticas del vehículo. Para ello, se determinaron tres condiciones de carga distintas. La primera,
equivale al peso de un piloto sobre el vehículo, el cual tendrá un peso máximo de 800 N
(aproximadamente 80 kg), mientras que la segunda y tercera corresponden a las pruebas a las que es
sometido el vehículo en la competencia HPVC. La Ilustración 26 muestra la configuración de la
malla para las simulaciones. A continuación, se comenta cada configuración, aunque los resultados
completos se presentan anexos.
Ilustración 26. Configuración de las simulaciones.
Principalmente, el vehículo debe soportar el peso de un piloto. Como se comentó, se asumió que
este tendrá un peso máximo de 80 kg, cuyo 80% reposará en el asiento y el 20% restante se apoyará
en el espaldar. En condiciones normales, cuando un piloto conduce el vehículo, este tiene dos
apoyos de pasador que se encuentran en el eje de la rueda trasera y en el buje del tenedor. En cuanto
al laminado, se propuso un espesor total de 0,8 mm, equivalente a 4 capas de fibra.
Siendo así, la Ilustración 27 muestra el montaje para la simulación y la Ilustración 28 muestra el
coeficiente de seguridad en cada punto del vehículo.
28
Ilustración 27. Diagrama de fuerzas y apoyos para el peso del piloto.
Ilustración 28. Coeficiente de seguridad según el peso del piloto.
29
Como lo muestra la anterior ilustración, el punto con menor coeficiente de seguridad se encuentra
cerca de la unión entre el marco y la parte delantera, aunque no llega a ser inferior a 1. Este punto
crítico puede ser causado por un concentrador de esfuerzo debido al cambio brusco de sección.
En segundo lugar, se realizaron simulaciones para verificar el cumplimiento de los requerimientos
de seguridad del desafío de vehículos de tracción humana HPVC, los cuales consisten en que la
protección del vehículo, tanto superior como lateral, debe resistir una carga determinada y tener una
deformación máxima. En la Tabla 3 se evidencian específicamente los requerimientos.
Tabla 3. Requerimientos de la jaula de seguridad para el HPVC. [2]
Parámetro Protección superior Protección lateral
Carga [N] 2670 1330
Dirección de la carga Vertical, desde el punto
más alto.
Horizontal y hacia el centro,
en punto más alejado.
Deformación máxima [mm] 51 38
Para ambos casos, protección superior y lateral, se realizó una simulación de únicamente la pieza
encargada de proveer la seguridad. Lo anterior para tener una idea clara del comportamiento de
cada pieza y sus puntos críticos, y conocer el comportamiento en los lugares de unión entre los
componentes. Por limitaciones del software, no es posible realizar simulaciones de todo el
ensamble, ya que no tiene en cuenta las uniones entre las piezas y no distribuye las cargas.
Para el caso de la protección superior, las simulaciones se corrieron teniendo en cuenta que la pieza
tendría aproximadamente 3 mm de espesor (15 capas de fibra). Se asumieron restricciones de
empotramiento en las caras donde este acopla al resto del marco. En la Ilustración 29 se evidencia
los resultados para coeficiente de seguridad y en la Ilustración 30 para la deformación.
30
Ilustración 29. Coeficiente de seguridad para la protección superior.
Ilustración 30. Desplazamiento para la protección superior.
El factor de seguridad es superior a 1, aunque no es significativamente alto, con lo que se concluye
que mínimo se necesitan 15 capas, pero preferiblemente se deberían usar más. La deformación
máxima es de 24,08 mm, lo cual está dentro de lo permitido por la competencia. Cabe agregar, que
la fuerza de este ensayo realmente se distribuye también en la parte tubular, por lo que en la
realidad, los esfuerzos presentes en esta pieza son menores, aumentando el factor de seguridad.
31
Finalmente, la protección lateral es de geometría tubular, recubierta con fibra de carbono con un
núcleo tentativamente en aluminio. Por ello, se estiman tres capas de fibra, ya que el núcleo agrega
resistencia extra. En este caso, se asumió un empotramiento en los lugares donde reposan los tubos
en el marco principal. Los resultados para coeficiente de seguridad y deformación se muestran en la
Ilustración 31 y en la Ilustración 32.
Ilustración 31. Coeficiente de seguridad para la protección lateral.
Ilustración 32. Desplazamiento para la protección lateral.
32
Los resultados recientemente mostrados para la protección lateral muestran el cumplimiento de los
requerimientos de la competencia. El coeficiente, para la carga solicitada, es mayor que 1, por lo
que la pieza, en primera instancia, no fallará. La deformación máxima es menor que el límite
establecido, siendo esta de 6,277 mm.
Es importante mencionar que el software Inventor asume el material como una geometría continua,
y no laminada. Es decir, que en las simulaciones se tienen perfiles continuos de fibra de carbono,
pero no se tiene en cuenta un numero de capas ni la forma en que se lamina. Por eso, los resultados
pueden variar en las pruebas reales, ya que verdaderamente entre cada capa puede haber zonas con
resina acumulada o incluso aire atrapado. Aun cuando estas simulaciones son una primera
aproximación al diseño estructural y una forma de validar, es necesario tener en cuenta que el
proceso de manufactura puede cambiar las propiedades mecánicas de la pieza.
7. Manufactura
Como la geometría planteada tiene cierto grado de complejidad, se decidió utilizar un modelo en
poliestireno expandido de alta densidad y sobre este realizar el laminado. Al realizar el modelo en
este material se tiene la ventaja de que no es necesario elaborar moldes ni realizar desmoldeo, sino
que el modelo queda dentro de la pieza sin aumentar mucho su peso. Adicionalmente, existen
métodos de manufactura asistida por computador (CAM), los cuales permiten, mediante
herramientas de control numérico, manufacturar la pieza de manera automatizada.
De esta forma, se manufacturó el modelo del marco principal en un taller de CNC externo a la
universidad. En la Ilustración 33 se muestra el resultado final del este proceso. Se puede decir que
esta parte tuvo éxito, puesto que se logró materializar la parte con una excelente aproximación al
diseño, sin descuidar las dimensiones y las geometrías complicadas. En cuanto a la pieza de la
protección superior, resultaba sencillo emplear un molde ya que se trataba de una geometría
relativamente simple. Dicho molde se elaboró de la misma forma que el marco, en poliestireno de
alta densidad.
(a)
(b)
Ilustración 33. Modelo del marco en poliestireno de alta densidad
Paralelo a esto, se manufacturaron las uñas o dropouts, empleando del centro de mecanizado por
control numérico de la universidad, debido a la necesidad de que las piezas fueran completamente
homogéneas para garantizar la alineación del eje trasero. Como se vio en secciones pasadas, la uña
del lado izquierdo del vehículo debe contar con un espacio para montar el tensor para las diferentes
33
velocidades. De ahí que las geometrías sean simétricas en el lugar de acople y del eje, pero difieran
en que una tiene dicho complemento. Se decidió emplear acero inoxidable para poder tener una
geometría más compacta, pero con alta resistencia. Las piezas terminadas se pueden ver en la
Ilustración 34.
Ilustración 34. Dropouts termiandos.
Una vez se tuvo el modelo del marco, el molde para el techo y las uñas listas, se podía proceder el
laminado, proceso que se repite de manera similar para cada capa. Primero, se debían preparar las
geometrías de las láminas a colocar. Para ello, se hicieron en primer lugar réplicas de estas en
plástico, para poder utilizarlas como molde cada vez que se necesitase cortar y simplificar el
proceso.
Ahora, ya con las piezas de fibra cortadas se procedía a preparar la resina epóxica, en la cual,
dependiendo del fabricante, varía la proporción entre resina y endurecedor. Entonces, usando una
balanza de precisión, se medían las partes para obtener el aglomerado. El laminado comenzaba con
una capa de resina sobre el área deseada, después se coloca la lámina de fibra y nuevamente se
agrega resina, verificando que no quedaran lugares secos ni con excesos, y que la fibra se
encontrara completamente adherida al molde o modelo sin burbujas de aire. La Ilustración 35
muestra el marco después del laminado.
Ilustración 35. Marco despues de laminar con fibra de carbono.
34
Una vez terminada la sesión de laminado, con las capas aun húmedas, se procedía a colocar la tela
peel ply y sobre esta el breather. Posterior a esto, se colocaba el cuerpo laminado dentro de la bolsa
de vacío, elaborada con un plástico especial resistente a la temperatura y cinta de doble faz para
sellar las dos caras de la bolsa. Una vez las piezas quedaban al vacío, se introducían en un horno, el
cual fue elaborado con paneles de poliestireno de 10 mm de espesor, a una temperatura entre 50 y
60°C. Se debía mantener la pieza por 4 horas aproximadamente para que la fibra logre las
propiedades nominales y se adhiera bien al cuerpo, sin crear resaltos o burbujas. En la Ilustración 36
se puede ver el marco dentro del horno en la bolsa de vacío. En total, esta pieza fue laminada con 5
capas.
Ilustración 36. Marco en vacío dentro del horno.
En el caso de la pieza de la protección superior, se realizó un procedimiento similar, con la
excepción de que en el molde de poliestireno se agregó una capa con cinta de invernadero, para
poder aplicar la cera desmoldante. Posterior a esto, se siguió el procedimiento normal de laminado
explicado anteriormente, para un total de 10 capas. La Ilustración 37 muestra la pieza después del
desmoldeo y el molde con la capa de cinta.
35
Ilustración 37. Protección superior. Pieza y molde.
En el caso de la protección lateral, para el núcleo, se utilizaron tubos de aluminio de pared delgada
y una pulgada de diámetro. Para su doblado se acudió a un centro especializado externo a la
universidad. Por cuestiones del alcance de las máquinas, la geometría de los tubos no pudo quedar
como lo diseñado, pero sin afectar el funcionamiento de estas. La Ilustración 38 muestra la
estructura tubular ya doblada.
Ilustración 38. Estructura tubular en aluminio.
Para el laminado de esta pieza, se procede de la misma forma que para el marco, solo que se realiza
un entorchado a lo largo de todo el tubo. Para la primera capa, fue necesario realizar un desgaste en
la superficie del tubo, con el fin de que la alta rugosidad permitiera una mejor adhesión de la resina
y la fibra a la estructura en aluminio. Posterior a esta, se colocaron dos capas más, para un total de
3.
Una vez se completaron todas las piezas preparadas y laminadas, se procedió al ensamble del
vehículo. Para ello, se comenzó con la montada de las uñas a la parte posterior del marco. Esto fue
posible realizando un entorchado alrededor de las piezas de acero inoxidable y envolviendo a la vez
los soportes traseros que ya tenían una alta resistencia por la fibra de carbono. La Ilustración 39
muestra el acople entre estos componentes. Posterior a esto, se realizó la unión entre la pieza
principal delantera, producida por Simon Frattini, y el marco central. Dicha unión se logró
utilizando tiras largas de fibra colocadas en las partes superior e inferior, que actúan como una
36
columna y garantizan la estabilidad del ensamble. En total, se fijaron 9 tiras en esta unión. En la
Ilustración 40 se muestra el resultado de dicha unión.
Ilustración 39. Acople entre el marco y las uñas.
Ilustración 40. Unión entre el marco y el soporte delantero (proyecto de grado de Simón Frattini).
A partir de este punto, antes de ensamblar la protección superior y lateral, se siguió avanzando con
los otros componentes del vehículo como el buje para el tenedor, el eje pedalier y el manubrio. Esta
etapa del proceso se explica con detalle en el proyecto de grado de Simón Frattini. En la Ilustración
41 se puede apreciar el progreso del ensamble.
37
Ilustración 41. Ensamble avanzado con las dos ruedas, el tenedor y el pedalier.
Continuando, se fijó la protección superior, una vez esta fue pulida y lijada para eliminar bordes con
filos no deseados. Para ello, se colocaron laminas largas de fibra, cuatro en cada lado, del ancho de
esta pieza que abarcaban desde el punto más bajo del marco hasta la parte superior de la protección
siguiendo una línea vertical. Más adelante, con los tubos de la protección lateral ya laminados, se
acoplaron estos al ensamble. En el contacto con la protección superior se envolvió el tubo cubriendo
también esta pieza y en la parte del otro contacto, con los extremos de los tubos aplanados, se
colocaron laminas que cubrían los tubos y se adherían a la cara inferior del marco. El resultado de
estas dos etapas se evidencia en la Ilustración 42. La pieza de la protección superior, en total,
resultó con 15 capas.
Ilustración 42. Ensamble con todos los componentes principales.
38
Ya para terminar el montaje, se ensamblaron las guías de la cadena o idlers en los puntos donde esta
debe cambiar su recorrido. Estos puntos se encuentran cerca al tenedor y en el punto más bajo de la
cara inferior del marco. Para dicho ensamblaje se unió el eje de los idlers al marco, utilizando cinta
de fibra de carbono. Por último, se terminaron de montar los elementos del vehículo como el
manubrio, el freno delantero, el tensor con los cambios y la cadena. Con esto, se finalizó la
manufactura del vehículo, considerando únicamente el funcionamiento. Posteriormente se agregó
una última capa de fibra en todo el marco del vehículo con el fin de dar un mejor aspecto estético.
Con la última capa ya curada, por último, se lijó toda la superficie para eliminar resaltos y posibles
bordes cortantes, y se añadió una capa de resina, para dar un aspecto brillante y llamativo. El
resultado final es mostrado en la Ilustración 43.
Ilustración 43. Producto final
Antes de cerrar este apartado, es importante mencionar que en algunas partes fue necesario emplear
porcelanicron, para rellenar vacíos y suavizar esquinas, con el fin de generar superficies continuas y
que, de esta manera, la fibra pudiera adherirse en toda el área, evitar esquinas pronunciadas que
dificultaran el laminado y evitar concentradores de esfuerzos. También se debe mencionar que en
los puntos críticos encontrados en las simulaciones se agregaron capas extra, pues es previsible, por
supuesto, que una eventual falla podría comenzar en estos lugares.
Se puede decir que la manufactura del vehículo fue satisfactoria. Se cumplieron los requerimientos
de diseño, llegando a un ensamble bastante similar al modelo realizado en computador. Existen
pequeñas diferencias y asimetrías como el doblado de los tubos, desalineaciones en las guías de las
39
cadenas o idlers y desalineación del plato. También, al ser usado por un piloto, se notó que la
distancia entre el asiento y el pedalier podría ser más amplia, permitiendo mayor comodidad para el
conductor. A pesar de esto, el producto final es un VTH completamente funcional y estable.
8. Pruebas
Una vez completado el proceso de manufactura, se realizaron pruebas de carga de manera análoga a
las simulaciones. Intentando lograr la misma configuración de cargas, apoyos y restricciones, se
desarrollaron las tres pruebas. Todas se hicieron utilizando la máquina universal de ensayos Instron
5586, disponible en los laboratorios de la universidad. Asimismo, cada prueba se hizo a una
velocidad de 1 mm/min y aumentando la carga cada 100 N, para evitar alguna falla súbita que
fracturara el vehículo. Los resultados obtenidos son una relación de fuerza contra desplazamiento.
Comenzando esta sección se comentarán las condiciones de cada prueba y se exhibirán los
resultados y posteriormente se hará un análisis sobre ellos, envolviendo todos los ensayos.
El primer ensayo correspondía a la carga que siente el vehículo en condiciones de uso. La prueba
consistió en una carga puntual ejercida en el asiento, la cual comenzó en 100 N, y aumentó hasta
1000 N. En esta configuración se hizo la representación del VTH siendo usado, ya que los apoyos
se encontraban en el tenedor y en el eje de la rueda trasera, al igual que en la simulación. La
Ilustración 44 muestra el montaje del ensayo, mientras que en la Ilustración 45 se reflejan los datos
obtenidos en la prueba.
Ilustración 44. Montaje para la primera prueba: peso del piloto.
40
Ilustración 45. Resultados para la primera prueba: peso del piloto.
Posterior al primer ensayo, se procedió con las pruebas que replican los requerimientos de la
competencia HPVC. Es importante comentar que para las dos pruebas siguientes se decidió llegar a
una carga que representa el 75% del requerimiento total (carga máxima de 2000 N, para la
protección superior y 1000 N para la lateral). Lo anterior con el fin de garantizar que las piezas no
llegaran a fracturarse, y poder, más adelante y después de complementar el presente trabajo,
someterlas al total de las fuerzas requeridas, teniendo completa certeza de que estas no fallarán.
En segundo lugar, se diseñó un ensayo para probar la resistencia de la protección superior, de
acuerdo con el requerimiento de competencia. Para ello, se aplicó una carga vertical sobre el punto
más alto de la jaula de seguridad y ejecutó el mismo proceso experimental. En este caso, la
configuración contaba con un apoyo en la parte inferior del vehículo que queda inmediatamente
debajo de la protección superior (Ilustración 46). En la Ilustración 47 se pueden ver los resultados
obtenidos.
41
Ilustración 46. Montaje para la segunda prueba: protección superior.
Ilustración 47. Resultados para la segunda prueba: Protección superior.
Por último, se ejecutó la prueba de la protección lateral que, igualmente, es parte de los
requerimientos de la competencia. En esta ocasión, la carga fue ejercida en dirección al centro del
vehículo partiendo del punto más alejado en los lados y de forma simétrica, como se puede ver en la
Ilustración 48. Los resultados están expuestos en la Ilustración 49.
42
Ilustración 48. Montaje para la tercera prueba: protección lateral.
Ilustración 49. Resultados para la tercera prueba: protección lateral.
Como se puede observar en las tres gráficas anteriormente mostradas, se trata de una relación
uniforme y proporcional entre carga y desplazamiento. Esto quiere decir que, para las cargas
empleadas, se está trabajando en la región elástica del material. Por lo tanto, por lo menos hasta
llegar a las cargas máximas estudiadas no se presentarán deformaciones permanentes. Esto se puede
ver de otro modo, ya que al realizar repeticiones en las pruebas la pendiente es bastante similar.
Ahora, en la primera prueba se llegó hasta una fuerza 1000 N, con una deformación máxima de 6
mm, lo que indica que el vehículo es capaz de soportar sin problema a una persona de peso
promedio sin sufrir deformaciones significativas.
43
El segundo ensayo culminó con una deformación máxima de 3,75 mm, la cual está muy por debajo
del límite de la competencia. Si se asume que el comportamiento seguirá siendo lineal, se podría
asegurar que al llegar al 100% de la carga requerida (2670 N para la carga superior y 1330 N para la
carga lateral), la deformación aún estará dentro de lo permitido, siendo esta aproximadamente de
4.96 mm y 24.12 mm para las protección superior y lateral respectivamente. Similar ocurre con la
tercera prueba, que, aunque con una deformación mayor (alrededor de los 19 mm), se puede
predecir que, si la pieza no falla antes, la deformación máxima de la protección lateral será menor al
límite permitido.
Las pruebas, además de comprobar la integridad estructurar del vehículo y confirmar que este puede
ser utilizado, permiten hacer algunas observaciones con respecto a los resultados obtenidos en las
simulaciones. En general, en cuanto a la predicción sobre la falla del material reflejado en los
coeficientes de seguridad, se puede decir que es acertado ya que, en efecto, las piezas no
presentaron fallas ni comportamientos no lineales en las curvas de fuerza contra desplazamiento.
Sin embargo, la predicción sobre la cantidad de desplazamiento no es completamente certera,
puesto que, en el tercer caso, en la protección lateral, se esperaba una deformación máxima de 6,28
mm, para una carga de 1330 N, y realmente se obtuvo una deformación de 19 mm, para una carga
menor, de 1000 N.
Para cerrar, se concluye que el vehículo presenta buena rigidez; y después de estas pruebas se puede
afirmar que tiene buena resistencia mecánica. Si bien no se llegó a la carga requerida, llegar a esta
es viable, pero es preferible tener completa certeza, antes de someter el vehículo a dichas fuerzas.
9. Recomendaciones
- Utilizar mejores herramientas de simulación como el software ANSYS puede mostrar
resultados más consistentes con las pruebas reales. En Inventor no se pueden diferenciar las
capas, sino que se asume un espesor continuo. En ANSYS, por otro lado, se puede establecer
un numero de capas y su orientación.
- Al acudir a un sistema de vacío es recomendable emplear algún soporte que garantice que la
geometría permanezca igual, con el fin de que la presión no deforme el modelo.
- El porcelanicron ayuda a generar superficies continuas y suavizadas, permitiendo que la fibra
se adhiera a las caras.
- Tener tijeras especiales ayuda a cortar mejor la fibra y que esta no se deshaga al manipularla.
Coser la fibra con la geometría que se desea obtener también puede reducir este problema.
10. Conclusiones
- Se completó el diseño y la manufactura de un vehículo de tracción humana en fibra de carbono.
Si bien se proponía continuar trabajando en el VTH ya existente en la universidad, se logró un
diseño innovador con el asiento integrado al marco del vehículo, permitiéndolo ser compacto y
liviano (8,2 kg).
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- El diseño genera una posición cómoda para el piloto y con un ángulo de inclinación menor que
en otros vehículos, lo cual lo torna más aerodinámico.
- Se emplearon técnicas de manufactura con fibra de carbono al alcance de la universidad. Fue
posible implementar el laminado manual y utilizar calor y vacío para el curado de la fibra, sin
incurrir en mayores costos por equipos o servicios.
- Se realizaron simulaciones y ensayos, replicando las pruebas que se realizan bajo el marco de
la competencia Human Powered Vehicle Challenge, de la ASME. A pesar de que los
resultados de las simulaciones y ensayos reales no son completamente consistentes, el
aproximamiento por los modelos en computador permitió una manufactura con resultados
satisfactorios en las pruebas de cargas.
- Emplear un sistema de vacío es de suma importancia. Además de mejorar las propiedades de la
pieza en fibra de carbono, hace posible la adhesión completa entre capas y evita que se generen
discontinuidades o burbujas de aire.
- Utilizar un modelo en poliestireno de alta densidad manufacturado mediante CNC permite
llegar a geometrías complejas sin añadir mucho peso.
11. Trabajo futuro
Para complementar el trabajo realizado y poder asistir a las competencias, hacen falta
principalmente cinco aspectos:
- Realizar simulaciones más complejas, que aseguren completamente la integridad del vehículo,
con el fin de realizar las pruebas de carga como se exige en la competencia, con la certeza de
que el ensamble no fallará.
- Diseñar un acople para el cinturón de seguridad exigido por las normas de la competencia.
- De ser posible, corregir las partes desalineadas para reducir perdidas mecánicas y mejorar el
funcionamiento del vehículo.
- Ajustar mejor la distancia entre el asiento y el pedalier para garantizar una mayor comodidad
del piloto.
- Desarrollar pruebas dinámicas que terminen de validar otros requisitos de competencia como
por ejemplo la distancia máxima de frenado, radio de curvatura y estabilidad a bajas
velocidades.
45
Referencias
[1] World Human Powered Vehicle Association, «WHPVA Official Website,» [En línea].
Available: http://www.whpva.org/hpv.html. [Último acceso: 31 Octubre 2019].
[2] ASME, «ASME HPVC,» [En línea]. Available:
https://www.asme.org/events/competitions/human-powered-vehicle-challenge-(hpvc). [Último
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[3] VTH Uniandes, [En línea]. Available: https://vth.uniandes.edu.co/. [Último acceso: 31 Octubre
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[4] H. Tello, Optimización aerodinámica y estructural de un vehículo de tracción humana de dos
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[5] D. Terán, Design and construction of the structure of a human powered vehicle from composite
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[6] M. Pinzón, Diseño y manufactura de un tenedor para un VTH con base en fibra de carbono,
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[11] M. Jawaid, Durability and Life Prediction in Biocomposites, Fibre-Reinforced Composites and
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[12] Cohete Surfboards, «Cohete Surfboards,» 2019. [En línea]. Available:
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[13] Gourgeon Brothers, Inc., «Proset Epoxy,» 2015. [En línea]. Available:
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[14] B. Muralidhara, S. Kumaresh y B. Suresha, Utilizing vacuum bagging process to prepare
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[15] NASA, «Man-Systems Integration Standards,» 1995. [En línea]. Available:
46
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[16] H. Thomas, «Jetrike,» 17 Octubre 2007. [En línea]. Available:
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[18] D. Too, The Effect of Hip Position and Configuration on Anaerobic Power and Capacity in
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[23] J. Ikonen, «GrabCad,» 22 Marzo 2017. [En línea]. Available:
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[25] D. Gay y S. Hoa, Composite Materials: Design and application, Boca Raton: CRC Press, 2007.
[26] J. Patarroyo, Manufactura de un carenado para un vehículo de tracción humana, Bogotá:
Uniandes, 2016.
[27] A. Echeverry, Carácterización experimental de la producción energética de una lámina
biestable de fibra de carbono, debido a la interacción de fuerzas aerodinámicas en un montaje
en voladizo, Bogotá: Uniandes, 2016.
[28] J. Garnet, Ergonomics of direct-drive recumbent bicycles, Ottawa: Human Power Institute,
2008.
47
Anexos
Cronograma de actividades por semana
Semana Actividades
1 Consulta de trabajos previos
2 Estudio del VTH de la universidad
Consulta de ergonomía
3 Consulta de manufactura
Consulta de ergonomía
4 Consulta de manufactura
5 Diseño: análisis de cargas
6 Diseño: selección de geometría
7 Diseño global
Modelamiento en CAD
8 Modelamiento en CAD
9 Simulaciones y validaciones
10 Manufactura
11 Manufactura
12 Manufactura
Redacción del documento
13 Manufactura
Redacción del documento
14 Pruebas y simulaciones
Redacción del documento
15 Pruebas y simulaciones
Redacción del documento
16 Entrega del documento
Fin del proyecto
48
Estructura de costos [24]
Descripción Cantidad Unidad de
medida
Precio
($ COP)
Tela de fibra de carbono 10 m 1154000
Resina y endurecedor epoxi 3.5 qt 141.400
Brioni (peel ply) 6 m 105.600
Guata prensada (breather) 8 m 32.000
Poliestireno expandido y maquinado 1 N/A 380.000
Cinta de invernadero 1 N/A 11.000
Tenedor GW Intro mini 1 N/A 125.000
Caja de dirección mini 1 N/A 45.000
Tubería aluminio 1'' 6 m 65.000
con doblado
Rueda delantera 1 N/A 50.000
Rueda trasera 1 N/A 270.000
Grupo Shimano 105 1 N/A N/A*
Idlers 2 N/A 220.000
Camisa del embielado (BB Shell) material y
maquinado 1 N/A 160.000
Dropouts material y maquinado 2 N/A 229.000
Cinta de fibra de carbono (tow) 100 yd 85.000
Camisa del tenedor (headtube) material y
maquinado 1 N/A 71.000
Potencia 1 N/A N/A*
Manubrio en fibra de carbono 1 N/A N/A*
Herradura de freno delantero 1 N/A 11.000
Funda para las guayas de freno y cambios 2 m 7.000
Adaptador tenedor mini-oversize 1 N/A 6.000
Porcelanicrón 1 lb 12.000
Bolsa de vacío 6 m2 150.000
Cinta de vacío 20 m 30.000
Otros (EPPs, brochas, vasos, máscaras) N/A N/A 100.000
Total $3.460.000,00
Ilustración 16. Primer boceto ampliado
50
Ilustración 17. Segundo boceto ampliado
51
Ilustración 18. Boceto final con las medidas adecuadas ampliado
