absorciÓn de impactos en cascos de adultos para …
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ABSORCIÓN DE IMPACTOS EN CASCOS DE
ADULTOS PARA BICICLETA
Andrés Felipe Eraso Ascuntar
201531240
Profesor Asesor
Edgar Alejandro Marañón León, PhD
Profesor Asociado
Departamento de Ingeniería Mecánica
Bogotá DC
Diciembre de 2019
Universidad de los Andes
1
Tabla de contenidos
1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 4
2. TRABAJO PREVIO ................................................................................................... 6
3. OBJETIVOS ............................................................................................................ 9
3.1 Objetivo General...................................................................................................... 9
3.2 Objetivos Específicos ............................................................................................... 9
4. METODOLOGÍA.....................................................................................................10
4.1 Elaboración de la cabeza de ensayos y ensamble .................................................... 10
4.2 Ajustes de la máquina de ensayos .......................................................................... 17
4.3 Pruebas de absorción de impactos.......................................................................... 21
4.4 Ensayos para hallar los materiales ......................................................................... 24
5. RESULTADOS ........................................................................................................25
6. CONCLUSIONES ....................................................................................................33
7. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO .............................................................34
8. REFERENCIAS ........................................................................................................35
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Índice de Figuras
Figura 1. Principio del equipo de ensayo de caída libre ___________________________________________8 Figura 2. A) Diseño y B) Ensamble final de la máquina de caída libre. ________________________________8 Figura 3. Planos principales y puntos de referencia de una cabeza de ensayo. _______________________ 10 Figura 4. Diseño de la cabeza de ensayos. Vista A) Frontal B) Lateral C) inferior (cavidades) ____________ 11 Figura 5. Diseño de la base del acelerómetro vistas A) En perspectiva B) Superior C) Frontal ____________ 11 Figura 6. Diseño de la barra de acople vistas A) Frontal B) En perspectiva __________________________ 12 Figura 7. Ensamble de la cabeza de ensayos. _________________________________________________ 12 Figura 8. Condiciones y enmallado del ensamble.______________________________________________ 13 Figura 9. Resultados simulación con factor de seguridad. _______________________________________ 14 Figura 10. A) Resultados de la simulación (sin cabeza ni soldaduras). B) Resultados simulación acercado. _ 14 Figura 11. Vista de la cabeza A) frontal B) lateral C) inferior (cavidades). ___________________________ 16 Figura 12. Barra de acople vistas A) frontal B) superior._________________________________________ 16 Figura 13. Base del acelerómetro vistas A) frontal B) superior. ___________________________________ 16 Figura 14. A) Ensamble final de la cabeza de ensayos B) Acople de la cabeza a la máquina de caída libre. _ 17 Figura 15. A) Salto de la máquina después del impacto. B) Bloques de acero inox. acoplados a la máquina para evitar el salto. _____________________________________________________________________ 18 Figura 16. Inclinación del riel en la máquina de caída libre A) Antes del ajuste B) Después del ajuste. _____ 19 Figura 17. Análisis de posición en Tracker. ___________________________________________________ 19 Figura 18. Sistema de sujeción para la caída libre. _____________________________________________ 20 Figura 19. Diseño del tope para ajustar la altura de caída. ______________________________________ 20 Figura 20. Tope de ajuste de altura _________________________________________________________ 21 Figura 21. Montaje de la cámara para determinar la velocidad del impacto_________________________ 22 Figura 22. Muestras de materiales para análisis infrarrojo. ______________________________________ 24 Figura 23. Daños en el casco de prueba. A) Plástico parte superior B) Estructura exterior C) Estructura interior _____________________________________________________________________________________ 25 Figura 24. Aceleración en el impacto del casco 3 de mayor precio (Rockrider) por componentes. ________ 25 Figura 25. Porcentaje de cada componente sobre la magnitud de la aceleración en el impacto de los cascos de mayor precio. _______________________________________________________________________ 26 Figura 26. Porcentaje de cada componente sobre la magnitud de la aceleración en el impacto de los cascos de menor precio. _______________________________________________________________________ 26 Figura 27. Aceleración en el impacto del casco 3 de mayor precio A) en todo el lanzamiento y B) en el primer impacto. ______________________________________________________________________________ 27 Figura 28. Aceleración en el impacto del casco 4 de menor precio A) en todo el lanzamiento y B) en el primer impacto. ______________________________________________________________________________ 27 Figura 29. Velocidad en el lanzamiento del casco 1 de menor presupuesto __________________________ 28 Figura 30. Picos de aceleración en los lanzamientos de los cascos _________________________________ 29 Figura 31. Riesgo de lesión craneoencefálica basado en valores de HIC (Hayes, Erickson, & Power, 2007) _ 31
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Índice de Tablas
Tabla 1. Condiciones y restricciones de prueba para las normas ASTM F1447, Snell B90A y EN 1078 (Bicycle Helmet Safety Institute , A Comparison of Bicycle Helmet Standards, 2019). __________________________7 Tabla 2. Dimensiones para la talla 535 y masa de la cabeza de ensayo. ____________________________ 10 Tabla 3. Materiales usados en la elaboración de la cabeza de ensayos. ____________________________ 15 Tabla 4. Equipos, tiempos y costo de la manufactura de piezas. __________________________________ 15 Tabla 5. Costos de la manufactura del tope para ajustar la altura de caída. _________________________ 20 Tabla 6. Equipos usados en la adquisición de datos.____________________________________________ 22 Tabla 7. Relación de calibración para cada eje de un acelerómetro triaxial DYTRAN 3313A2. ___________ 23 Tabla 8. Cascos usados en las pruebas de absorción de impactos._________________________________ 23 Tabla 9. Aceleración máxima, velocidad antes del impacto y masa de los cascos _____________________ 28 Tabla 10. Resultados de simulaciones computacionales de la prueba de absorción de impactos según EN 1078. ________________________________________________________________________________ 29 Tabla 11. Picos de aceleración promedio ____________________________________________________ 30 Tabla 12. Valores de HIC para las pruebas de caída libre. _______________________________________ 30 Tabla 13. Escala de lesión abreviada (AIS) ___________________________________________________ 31 Tabla 14. Materiales y propiedades de los componentes principales de los cascos. ___________________ 32
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1. INTRODUCCIÓN
El uso de la bicicleta ha aumentado en la ciudad de Bogotá debido a los incentivos
de la alcaldía de la capital, entre otras razones. Algunos beneficios que ofrece este
medio de transporte son las ventajas ambientales y los bajos costos de uso y
mantenimiento. Bogotá cuenta con más de 540 kilómetros de ciclo rutas disponibles.
Por estas razones, BBC news (BBC mundo, 2019) afirma que Bogotá es la ciudad
ideal para los ciclistas, ya que cuenta con la infraestructura más completa en
América Latina. Actualmente, se realizan aproximadamente 600 mil viajes diarios
en la capital, lo que corresponde al 5% del total de viajes realizados en Bogotá.
Sin embargo, las estadísticas de accidentes de ciclistas aumentan cada vez más.
El Espectador dice que, de cada 100 accidentes viales, 4 comprometen ciclistas (El
Espectador, 2018). Según la Agencia Nacional de Seguridad Vial (Agencia Nacional
de Seguridad Vial, 2019) 52 personas murieron en 2018 y 11 murieron entre enero
y mediados de marzo de 2019 mientras manejaban una bicicleta. Adicionalmente,
947 personas en 2018 resultaron lesionadas. En muchos casos, esto se debe a que
los ciclistas usan elementos de protección no certificados por la norma, o en el peor
de los casos no usan.
Los elementos de protección para ciclistas que se recomiendan usar en Bogotá son:
casco, chaleco reflectivo (especialmente en la noche), tener luces blancas en la
parte delantera y luces rojas en la parte trasera de la bicicleta. En Colombia, no
existen estadísticas sobre la relación entre el uso de estos elementos y accidentes
de tránsito. No obstante, en Estados Unidos, la Fatality Analysis Reporting System
(FARS) reportó que en el 2016 el 51% de usuarios fallecidos en accidentes de
bicicleta no usaba casco, mientras que el 16% si usaba, el 33 % restante
corresponde a no identificados (Bicycle Helmet Safety Institute , Satistics, 2019).
Debido a la importancia del casco en el uso de bicicleta, surge la motivación de
probar cascos disponibles en el mercado nacional y caracterizar su desempeño en
pruebas de absorción de impactos. El casco de bicicleta cumple la importante
función de proteger la cabeza del usuario, para disipar la energía de impacto y
reducir el riesgo de lesiones. El casco consta de un acolchado de protección que se
encarga de la absorción del impacto, un acolchado de confort que se usa para
garantizar comodidad y un sistema de sujeción que contiene un acolchado de ajuste
y un barboquejo. Adicionalmente, debe ser liviano, estar ventilado, no puede
interferir con el campo de visión ni con el ruido del tráfico y debe ser sencillo de
retirar.
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Existen diferentes normas a nivel mundial que evalúan la absorción de impactos de
un casco de bicicleta para adultos. En Estados Unidos, la ley se rige por CPSC
standard (Consummer Product Safety Comission, 1998); la norma ASTM F1447
(American Society for Testing and Materials, 2018) también se encuentra vigente y
es similar CPSC; otra norma reconocida es Snell standard. Una de las normas más
reconocida a nivel mundial es la EN 1078 (European Standards, 2012), que se
desarrolló en Europa y describe las pruebas que se le deben realizar al casco con
el fin de ser aprobados. Esta norma también se usa para probar cascos de
monopatines y patines de ruedas. La norma EN 1080 (European Standards, 2013)
es similar, pero se aplica a cascos de niños y se abordan problemas adicionales
como la estrangulación.
La norma NTC 5239 (Norma Técnica Colombiana, 2018) se usa en el país y es
equivalente al estándar europeo. En este caso, la problemática es local y se usará
la prueba de absorción de impactos descrita en la norma colombiana (o su
equivalente EN 1078) para caracterizar dos estilos de cascos disponibles en el
mercado nacional.
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2. TRABAJO PREVIO
En 1957 se instituyó la Snell Foundation debido a la muerte del piloto de carreras
de carros Pete Snell. Desde entonces, la fundación avanzó significativamente en
las pruebas de certificación de casco de carreras de automóviles. Luego desarrolló
pruebas para cascos de motocicleta, bicicleta, equitación, entre otros. Para la
década de 1990, la certificación Snell para cascos de bicicleta era la más usada y
la mayoría de los cascos diseñados correctamente cumplían con este estándar. Uno
de los ensayos que desarrolló la fundación fue la prueba de absorción de impactos,
la cual consiste en dejar caer un casco ajustado a una horma de una altura
determinada sobre una superficie plana, esférica o en bordillo, para analizar la
aceleración que sufre en el choque. Los estándares que se mencionan en este
documento se ejecutan de la misma forma, cambiando condiciones de prueba como
la altura y la aceleración máxima permitida. Snell es considerada una de las normas
más exigentes debido a la altura de caída del casco (Bicycle Helmet Safety Institute,
Bicycle Helmet Standards, 2019).
La norma ASTM F1447 es otro manual de pruebas en cascos para bicicleta,
desarrollada por la American Society of Testing Materials. En 1999 fue considerada
como la norma más usada, incluso por encima del estándar Snell. El 70% de los
cascos certificados, estaban avalados por esta organización para comienzos de los
años 2000.
Actualmente, el uso de las normas Snell y ASTM F1447 ha disminuido debido a que
la mayoría de los países tienen su propia normatividad. Por ejemplo, CPSC standard
en Estados Unidos, AS/NZS 2063: 1996 - Pedal Cycle Helmets en Australia y Nueva
Zelanda (Australian and New Zealand standard, 1996), British Standard
Specification for Pedal Cyclists' Helmets BS 6863:1987 en el Reino Unido (British
Standard, 1987), entre otras. Como se comentó anteriormente, el estándar que rige
gran parte de Europa es EN 1078, cuya última actualización se hizo en el 2012 y es
una de las normas de mayor uso a nivel mundial. Las normas mencionadas
anteriormente aplican para cascos de bicicleta en adultos. Por otro lado, la norma
EN 1080 aplica para cascos de niños y la principal diferencia está en que se abordan
problemas adicionales como la estrangulación. En la Tabla 1 se hace un resumen
de la diferencia entre algunas de las normas mencionadas.
En Colombia, la norma NTC 5239 describe las pruebas que se deben realizar en los
cascos para probar su calidad. La última actualización de esta norma se hizo en
abril de 2018. Los ensayos se realizan en las mismas condiciones que dicta la
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norma EN 1078. Esta norma se usará para probar los dos estilos de cascos para
bicicleta que se encuentran presentes en el mercado nacional (Norma Técnica
Colombiana, Cascos para bicicletas y usuarios de monopatines y patines de rueda,
2018).
Tabla 1. Condiciones y restricciones de prueba para las normas ASTM F1447, Snell B90A y EN 1078 (Bicycle
Helmet Safety Institute , A Comparison of Bicycle Helmet Standards, 2019).
Norma Velocidad antes del
impacto (m/s)
Altura teórica
(m)
Superficie de
impacto
Aceleración
permitida (G)
ASTM
F1447
6.26 2.00 Yunque plano 300
4.85 1.20 Yunque en bordillo 300
Snell
B90A
6.57 2.20 Yunque plano 300
5.05 1.30 Yunque en bordillo 300
EN 1078 5.42 1.50 Yunque plano 250
4.57 1.06 Yunque en bordillo 250
Este estándar contiene 7 secciones donde describe campos de aplicación,
referencias normativas, términos y definiciones, requisitos, ensayos, marcado e
información suministrada por el fabricante. En la sección de ensayos describe 4
pruebas diferentes que consisten en:
• Determinar la capacidad de absorción de impactos.
• Determinar la resistencia y la facilidad de apertura del sistema de sujeción.
• Determinar la efectividad del sistema de sujeción
• Determinar el campo de visión.
Con estos 4 ensayos se puede certificar un casco en su totalidad. Para el caso de
estudio solo se analizará la capacidad de absorción de impactos que se describe en
el numeral 5.4 de la norma NTC 5239. La máquina de caída libre que referencia la
norma se puede ver en la Figura 1.
En el primer semestre de 2019, Julián David Pinto diseñó y construyó una máquina
para ensayos de caída libre para motos basado en la norma NTC 4533 (Pinto &
Marañón, 2019). La máquina de caída libre para motos es idéntica a la máquina que
usa en las pruebas de cascos de bicicleta, con la excepción que se debe modificar
la altura. Por esta razón, se aprueba el uso de esta máquina realizando los ajustes
necesarios de altura. El diseño de la máquina y la máquina final se muestran en la
Figura 2.
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Figura 1. Principio del equipo de ensayo de caída libre (Norma Técnica Colombiana, 2018)
Figura 2. A) Diseño y B) Ensamble final de la máquina de caída libre.
Como se puede ver en la Figura 2, la máquina consta de 3 barras, 1 polea, un
yunque plano, un sistema de acople para la cabeza, un gancho, un resorte y una
cuerda. Una de las barras funciona como guía para la caída del casco. Las 2 barras
restantes son para soportar la estructura de la máquina y brindar estabilidad. La
polea sirve para subir y bajar la cabeza reduciendo la fricción, y el yunque es la
superficie donde cae la cabeza y el casco. El sistema de acople consiste en un riel
que funciona con rodamientos y una barra que conecta el riel con la cabeza. El
gancho y el resorte cumplen la función de retener y soltar la cabeza. Por último, la
cuerda está diseñada para evitar que la cabeza gire sobre ele eje del riel, por lo
tanto, restringe un grado de libertad.
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3. OBJETIVOS
3.1 Objetivo General
• Caracterizar dos modelos de cascos producidos a nivel nacional y determinar
la capacidad que tienen de absorber impactos. Esto con el fin de compararlos
y verificar su calidad.
3.2 Objetivos Específicos
• Ajustar una máquina de ensayos de caída libre para poder caracterizar
cascos de acuerdo a la norma NTC 5239. Esto incluye manufacturar piezas
faltantes y configurar la altura de caída.
• Diseñar y fabricar una cabeza de ensayos que cumpla con las propiedades
expuestas en la norma NTC 6266. Esto incluye la masa de la cabeza, el
ensamble a la máquina y el ensamble de sistemas de medición
(acelerómetro).
• Realizar y comparar pruebas de absorción de impactos en los cascos y
verificar si cumplen o no con la norma.
• Definir los materiales de los cascos usados y analizar los resultados de
acuerdo al material.
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4. METODOLOGÍA
A continuación, se muestra el proceso de la construcción de la cabeza de ensayos
y su ensamble, los ajustes de la máquina de caída libre, la descripción de los
ensayos de absorción de impactos, y los ensayos realizados para determinar los
materiales del casco.
4.1 Elaboración de la cabeza de ensayos y ensamble
La norma NTC 6266 describe como debe ser la cabeza de ensayos para las pruebas
de caída libre. Las especificaciones que debe cumplir la cabeza incluyen
dimensiones y masa, como se muestra en la Tabla 2 y en la Figura 3. La talla de
cabeza que se usó para las pruebas fue la 535 debido a la variedad de cascos
adecuados para esta medida.
Figura 3. Planos principales y puntos de referencia de una cabeza de ensayo (Norma Técnica Colombiana,
2018).
Tabla 2. Dimensiones para la talla 535 y masa de la cabeza de ensayo (Norma Técnica Colombiana, 2018).
Designación
de la talla
Circunferencia
interior del
casco (mm)
h (mm) x (mm) y (mm) z (mm) Masa (g)
535 540 127.4 25.5 96 11.9 4 100 ± 120
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La distancia “z” indica la ubicación del centro de masa. Con las medidas de la talla,
se diseñó un ensamble que permitiera acoplar la cabeza a la máquina de caída libre,
y donde se pudiera instalar un acelerómetro dentro de la cabeza en su centro de
masa. Adicionalmente, el ensamble debía cumplir con la masa adecuada para la
prueba. Para esto, se determinó que el material de la cabeza fuera EMPACK blanco
porque su densidad corresponde a las restricciones y especificaciones de la masa.
El software de diseño que se usó fue Autodesk Inventor. Las siguientes imágenes
muestran el ensamble y las piezas diseñadas.
Figura 4. Diseño de la cabeza de ensayos. Vista A) Frontal B) Lateral C) inferior (cavidades)
En la Figura 4 se observa la cabeza de ensayos diseñada. Las cavidades que tiene
cumplen diferentes propósitos. Los agujeros laterales están diseñados para que las
varillas del montaje entren y se aseguren con tuercas y arandelas, el hueco vertical
de diámetro medio asegura la base del acelerómetro, el hueco de menor diámetro
se usa para desensamblar la base del acelerómetro y el hueco de mayor diámetro
se hizo con el objetivo de reducir el peso y cumplir con las especificaciones.
Figura 5. Diseño de la base del acelerómetro vistas A) En perspectiva B) Superior C) Frontal
En la Figura 5 se muestra el diseño de la base que asegura el acelerómetro a la
cabeza. El material que se escogió para esta pieza fue aluminio 6061 porque se
debía diseñar una rosca para ajustar el acelerómetro y que el material tuviera una
densidad baja. En la Figura 5 se observa un agujero roscado pasante que se
encarga de asegurar la pieza a la cabeza por medio de una varilla roscada, y un
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agujero roscado en la parte superior cerca al borde de la pieza, que es el acople del
acelerómetro.
Figura 6. Diseño de la barra de acople vistas A) Frontal B) En perspectiva
En la Figura 6 se muestra el diseño de la barra que une el riel de la máquina (usando
los tornillos prisioneros del riel) con la cabeza de ensayo. Esta barra consta de un
agujero roscado en uno de los extremos, por donde pasa una varilla que asegura la
cabeza. Además, tiene un agujero que cubre aproximadamente la mitad del largo
para reducir el peso. Esta pieza es clave en el montaje porque transmitirá gran parte
del impacto y también debe cumplir con las restricciones de masa. El material que
se escogió para este diseño fue aluminio 6061 porque cumple con las
características de operación.
Con el diseño terminado y los materiales escogidos, la masa del montaje de acuerdo
a Autodesk Inventor es de 4117 gramos, lo cual esta dentro del rango de la norma.
En la Figura 7 se muestra el diseño del ensamble. La cabeza en la Figura 7. B se
divide por la mitad para mostrar el detalle del ensamble.
Figura 7. Ensamble de la cabeza de ensayos.
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Antes de manufacturar las piezas, se debía corroborar que el ensamble resistiera el
impacto de la prueba. En Autodesk inventor se usó la opción de Análisis de
esfuerzos para determinar el factor de seguridad de cada pieza. En la simulación se
asumió un caso estático y por lo tanto se debía calcular una fuerza promedio
generada por el impacto. Se usaron las siguientes formulas de impulso.
𝐹𝑝𝑟𝑜𝑚∆𝑡 = 𝑚∆𝑣 (1)
𝐹𝑝𝑟𝑜𝑚 =𝑚∆𝑣
∆𝑡 (2)
Con la ecuación 2, se usa la masa del ensamble, el cambio de velocidad que es de
5.42 a 0 m/s y el cambio de tiempo usual en una colisión que es de, mínimo, 0.015
segundos. Por lo tanto, la fuerza promedio en el impacto es de 1481 N, pero se
aproxima a 1500 para obtener un resultado más holgado. En la simulación, se ancla
el riel y la fuerza se ubica en la región de impacto. Los resultados se muestran en
las siguientes figuras.
Figura 8. Condiciones y enmallado del ensamble.
En la Figura 9 se ven los resultados de la simulación del ensamble completo. De
acuerdo a estos resultados, el factor de seguridad mínimo es de 1.11. Sin embargo,
el punto crítico se encuentra en la soldadura del riel que ya esta diseñado para
ensayos de cascos de motos, los cuales son más exigentes por la altura de caída y
la masa del ensamble.
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Figura 9. Resultados simulación con factor de seguridad.
Figura 10. A) Resultados de la simulación (sin cabeza ni soldaduras). B) Resultados simulación acercado.
En la Figura 10 se puede observar los resultados de la simulación omitiendo la
soldadura y la cabeza para poder ver el detalle de la simulación. El factor de
seguridad crítico está en la varilla roscada que asegura la cabeza con la barra de
acople, y tiene un valor de 1.91. Con estos resultados favorables se manufacturan
las piezas.
Para la elaboración de la cabeza de ensayos se utilizaron los siguientes materiales
mencionados en la Tabla 3. Los tiempos y los equipos empleados para la
manufactura de cada pieza se muestran en la Tabla 4.
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Tabla 3. Materiales usados en la elaboración de la cabeza de ensayos.
NOMBRE DIAMETRO
(in) LARGO (mm) CANTIDAD PRECIO (COP)
Polietileno de alta
densidad
EMPACK Blanco
8 250 1 $ 160 000
Varilla roscada 1/4 160 1 $ 2 900
Varilla roscada 1/2 145 1 $ 13 900
Tuerca y arandela 1/4 - 4 $ 3 900
Tuerca y arandela 1/2 - 4 $ 7 900
Barra de aluminio
6061 2 50 1 $ 18 000
Barra de aluminio
6061 1 300 1 $ 10 700
TOTAL -- -- -- $ 217 300
Tabla 4. Equipos, tiempos y costo de la manufactura de piezas.
PIEZA EQUIPO HORAS COSTO (COP)
Cabeza de
ensayos
Centro de mecanizado
Fadal 16 $ 816 000
Torno convencional 4 $ 106 000
Base acelerómetro Torno convencional 1 $ 26 500
Fresa 1 $ 32 000
Barra de acople Torno 0.5 $ 13 250
TOTAL -- 23 $ 993 750
La cabeza y las piezas adicionales del ensamble se manufacturaron en los
laboratorios de la Universidad de los Andes. Los resultados se muestran a
continuación.
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Figura 11. Vista de la cabeza A) frontal B) lateral C) inferior (cavidades).
Figura 12. Barra de acople vistas A) frontal B) superior.
Figura 13. Base del acelerómetro vistas A) frontal B) superior.
El ensamble de la cabeza y su acople con la máquina se muestra en la Figura 14.
El ensamble ya contiene la base del acelerómetro en su interior y la orientación de
los ejes se también se muestra en la siguiente Figura para futuras referencias.
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Figura 14. A) Ensamble final de la cabeza de ensayos B) Acople de la cabeza a la máquina de caída libre.
La masa final del ensamble (incluyendo el riel de desplazamiento) es de 4163.6
gramos que se encuentra dentro del rango especificado por la norma.
4.2 Ajustes de la máquina de ensayos
Una máquina de ensayos para pruebas de caída libre en cascos de bicicleta (de
acuerdo a NTC 5239), debe tener las siguientes características:
• Un yunque plano fijado a la base.
• Un sistema de guía de caída libre.
• Un sistema móvil que soporte la cabeza de ensayo con el casco.
• Una base hecha de acero cuya masa sea mínimo de 500kg.
La máquina hecha por Julián Pinto cumplía plenamente con el requisito del yunque,
por esta razón, no se realizaron modificaciones a este elemento. Por otro lado, la
base era liviana y no pesaba 500 kg, debido a esto, al momento del impacto la
máquina se levantaba y alteraba los resultados de aceleración y velocidad (Figura
15.A). Para solucionar este problema, se ubicaron dos bloques de acero inoxidable
AISI-304 cuya masa total es de 20 kg, como se muestra en la Figura 15.B. Este
arreglo evito el salto de la máquina en las pruebas, aunque se puede trabajar en
una solución que se acople mejor al sistema y sea definitiva.
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Figura 15. A) Salto de la máquina después del impacto. B) Bloques de acero inox. acoplados a la máquina
para evitar el salto.
En el caso del sistema de caída libre, el sistema no aseguraba que el impacto fuera
central debido a que la cuerda en la parte posterior de la máquina se estiraba en los
lanzamientos y no limitaba la rotación a lo largo del eje de caída. Adicionalmente,
existía otro grado de libertad debido a la deflexión de las barras del sistema. Esta
deflexión resultaba en una inclinación del riel y por ende en una desviación de la
cabeza sobre el centro del yunque. Este problema se puede apreciar en la Figura
16. Para evitar el movimiento de la cabeza sobre el eje de caída, se usó otra cuerda
en el costado lateral que sirviera de guía y limitara por completo la rotación. En
cuanto a la inclinación del riel, se usó una referencia vertical para ajustar las barras
en la posición adecuada.
Con el fin de verificar los resultados del ajuste se hicieron pruebas para medir el
desplazamiento lateral de la cabeza desde la salida hasta la altura máxima del
primer rebote usando una cámara a 240fps y el software TRACKER (Tracker Video
Analysis and Modeling Tool for Physics Education) como se muestra en la Figura
17.
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Figura 16. Inclinación del riel en la máquina de caída libre A) Antes del ajuste B) Después del ajuste.
Figura 17. Análisis de posición en Tracker.
De acuerdo a este análisis, la máxima desviación del ensamble se da en el impacto
y es de 1.6 milímetros aproximadamente. Con esta desviación se considera que los
resultados son válidos y el arreglo funcionó.
El sistema móvil se dejaba caer usando un mecanismo que consistía de un gancho,
un resorte y una cuerda que aseguraban la cabeza para luego mover el gancho y
que el montaje cayera (Figura 18). Este sistema desviaba el casco por la curvatura
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del gancho y por eso se optó por subir y lanzar la cabeza usando la cuerda
únicamente (de forma manual).
Figura 18. Sistema de sujeción para la caída libre.
El último aspecto por corregir en la máquina era la altura de caída para que el
impacto tuviera la velocidad necesaria. Para esto, se diseñó un tope que restringe
el movimiento de la cabeza en la altura adecuada. El diseño y la pieza final se
muestran en las siguientes imágenes.
Figura 19. Diseño del tope para ajustar la altura de caída.
El diseño de la Figura 19 muestra un cilindro con 4 agujeros roscados en la
circunferencia por donde entran los tornillos que ajustan la pieza. Inicialmente se
pensaba hacer un mecanismo más robusto que incluyera el sistema gancho-resorte
para liberar la cabeza y por eso tiene 8 agujeros en total. Con el montaje que se usó
para tomar los datos solo son necesarios dos tornillos que ajusten la pieza al riel.
La pieza se manufacturó en Aluminio 6061 y el resultado se puede ver en la Figura
20. Los costos para obtener la pieza se reportan en la Tabla 5.
Tabla 5. Costos de la manufactura del tope para ajustar la altura de caída.
PIEZA EQUIPO HORAS COSTO (COP)
Tope altura Fresa 1.5 $ 48 000
Torno 0.5 $ 13 250
Total -- 2 $ 61 250
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Figura 20. Tope de ajuste de altura
4.3 Pruebas de absorción de impactos
La norma NTC 5239 describe la prueba de absorción de impactos que se le debe
realizar a los cascos de bicicleta para adultos. En términos generales, la prueba
consiste en dejar caer el casco para que impacte sobre una superficie determinada
a una velocidad estándar y medir la aceleración en la trayectoria para analizar cual
es el máximo. El pico de aceleración no debe superar las 250g para certificar el
casco. La norma incluye una descripción de los elementos necesarios. Por ejemplo,
se necesita una máquina de caída libre, una horma que cumple con las
especificaciones, un yunque plano ubicado en la base y un sistema de medición de
aceleración.
Los ajustes que se realizaron para cumplir con la norma se muestran en 4.2 Ajustes
de la máquina de ensayos de este documento. La máquina debe asegurar que la
velocidad que alcanza el casco antes del impacto sea de 5.42 m/s, y para esto se
debe ajustar la altura de caída. Con el fin de corroborar la velocidad de la caída al
momento del impacto, se usa una cámara que graba 240 cuadros por segundo
(resolución de 720p HD) y se analiza la trayectoria en el software Tracker Video
Analysis and Modeling Tool for Physics Education. Para evitar cambios en las
mediciones, el análisis de velocidades debe realizarse en cada prueba a una misma
distancia. El montaje de la cámara incluye un sistema de aislamiento para evitar
vibraciones en el impacto y se ubica a 1 metro de la base de la máquina. El sistema
consiste en un trípode con ajuste para cámara de celular, que se ubica encima de
3 espumas que aíslan el montaje de las vibraciones causadas por el impacto, como
se puede ver en la Figura 21.
22
Figura 21. Montaje de la cámara para determinar la velocidad del impacto
La horma o cabeza de ensayos debe tener unas dimensiones y masa especifica. El
proceso para obtener la cabeza de ensayos se muestra en 4.1 Elaboración de la
cabeza de ensayos y ensamble de este documento. En cuanto a la masa que
especifica la norma, debe incluir todo el ensamble que se desplaza con la horma
durante la caída (sin incluir el casco). Adicionalmente el ensamble no puede estar
inclinado y para corroborar la inclinación de la cabeza en todos los sentidos se usó
un nivel después de cada prueba, porque el impacto puede alterar las condiciones.
La cabeza de ensayos debe contener el sistema de adquisición de datos con un
acelerómetro triaxial. Los equipos que se usaron para obtener los resultados se
muestran en la Tabla 6.
Tabla 6. Equipos usados en la adquisición de datos.
EQUIPO MARCA REFERENCIA RESOLUCIÓN
Acelerómetro Triaxial DYTRAN 3313 A2 5mV/g
Cable para
acelerómetro Triaxial DYTRAN 6811 A10 --
Perno de montaje DYTRAN 6200 --
Tarjeta de adquisición NATIONAL
INSTRUMENTS NI 9233 5V y 50kS/s
Modulo USB de alta
velocidad
NATIOANL
INSTRUMENTS NI USB 9162 --
Cable USB -- -- --
Computador con
software LabVIEW -- -- --
El acelerómetro se conecta a la tarjeta de adquisición por medio del cable, la tarjeta
se conectaba al modulo de alta velocidad, y el modulo se conecta al computador
con el cable USB. En el computador se toman los datos usando el software
23
LabVIEW y la interfaz desarrollada por el ingeniero Miller Rocha. Los resultados se
obtienen en voltios en un archivo de texto, por lo tanto, deben ser post procesados
en el software Matlab para obtener la aceleración en gravedades. La calibración del
acelerómetro da la relación mV/g para cada eje, como se muestra en la Tabla 7.
Tabla 7. Relación de calibración para cada eje de un acelerómetro triaxial DYTRAN 3313A2.
EJE RELACION DE CALIBRACIÓN (mV/g)
X 5.25
Y 5.37
Z 5.32
La norma determina un área en el casco, en la cual se deben realizar los impactos.
En el caso de esta prueba no se determinó esta región porque las pruebas se
realizan sobre un mismo punto que con seguridad está en la región de impacto
dictada por la norma (parte superior de la cabeza/casco).
Para realizar las pruebas se compraron 10 cascos en total, las especificaciones se
muestran en la Tabla 8. Dos cascos se usaron para configurar la máquina y cumplir
las restricciones de la prueba, y por esta razón los resultados de estos lanzamientos
no se tuvieron en cuenta. Los 8 cascos restantes se usaron para realizar pruebas
válidas y caracterizar su desempeño (4 cascos de la marca B’TWIN y 4 cascos de
la marca ROCKRIDER). Estos se escogieron de acuerdo a su precio y asequibilidad
en el mercado colombiano.
Tabla 8. Cascos usados en las pruebas de absorción de impactos.
CASCO REFERENCIA PRECIO (COP) CANTIDAD
Casco Ciclismo 100
B’TWIN $ 40 000 6
Casco Ciclismo MTB
ST 50 ROCKRIDER $ 22 000 4
El proceso que se siguió para la toma de datos fue:
1. Encontrar la masa del casco de prueba.
2. Verificar que la cabeza no este inclinada usando el nivel.
24
3. Poner el casco de tal forma que quede ajustado y sin inclinación.
4. Comenzar a grabar en la cámara.
5. Comenzar a tomar datos de aceleración en LabVIEW.
6. Subir el casco con el montaje.
7. Verificar que el riel este alineado con el centro del yunque a la altura de la
prueba.
8. Soltar la cuerda de agarre para iniciar la caída libre.
9. Esperar a que el montaje este en reposo.
10. Parar la toma de datos y la grabación.
Este procedimiento se debe repetir en cada prueba.
4.4 Ensayos para determinar la composición química de los materiales
Para determinar cuales son los materiales de los cascos se usó la norma ASTM
E1252 (ASTM, 2013). Los materiales que se analizaron fueron la cobertura externa,
y la estructura que abarca del casco. Las muestras se muestran en la Figura 22.
Este estudio se hizo con el fin de entender el comportamiento de los materiales del
casco, basándose en las propiedades mecánicas.
Figura 22. Muestras de materiales para análisis infrarrojo.
25
5. RESULTADOS
En esta sección se exponen y se discuten los resultados obtenidos del ajuste de la
máquina, de las pruebas de absorción de impactos y del análisis de materiales.
Como se explicó anteriormente, el primer paso era ajustar la altura de caída para
determinar la velocidad del impacto. Para ello, se realizaron lanzamientos con dos
cascos de prueba que permitían configurar y ajustar la máquina. Se realizaron
aproximadamente 15 lanzamientos por cada casco para lograr la velocidad
indicada, y por esta razón los cascos de pruebas sufrieron daños considerables.
Figura 23. Daños en el casco de prueba. A) Plástico parte superior B) Estructura exterior C) Estructura interior
En la Figura 23 se observan los daños del casco de pruebas. Como se evidencia en
la imagen, con cada lanzamiento que se realicé, las propiedades geométricas y
físicas del casco pueden cambiar. Por esta razón, los ensayos de absorción de
impactos solo se pueden realizar 2 veces en un mismo punto del casco. Con la
velocidad de aproximadamente 5.42 m/s, se midió la aceleración triaxial en los 8
cascos restantes. El resultado de una de las mediciones se muestra en la Figura 24,
para ilustrar el comportamiento de la medición.
Figura 24. Aceleración en el impacto del casco 3 de mayor precio (Rockrider) por componentes.
26
Se puede observar que el eje predominante es el eje “z” (dirección vertical). Para
comprobar que la aceleración predomina sobre este eje, se calcula el porcentaje
que aporta cada componente a la magnitud total. La letra C se usa para los cascos
“costosos” y la letra E para los cascos “económicos”.
Figura 25. Porcentaje de cada componente sobre la magnitud de la aceleración en el impacto de los cascos
de mayor precio.
Figura 26. Porcentaje de cada componente sobre la magnitud de la aceleración en el impacto de los cascos
de menor precio.
Como se puede ver en las Figuras 25 y 26, la componente “z” de la aceleración
corresponde a más del 80% en todos los lanzamientos, a excepción de la primera
prueba del casco de mayor precio que corresponde al 78%. Estos resultados
afirman que el impacto es mayoritariamente vertical como se estipula por la norma
27
y por esta razón se consideran válidos. Sin embargo, la componente del eje “x”
presenta valores altos y esto se debe al montaje del sistema. El centro de masa del
ensamble de la horma y el casco no se ubica justo en el punto de impacto y al
momento del choque se genera un momento que aumenta la aceleración en el eje
“x”. A partir de la aceleración triaxial se obtiene la magnitud de la aceleración (𝑎2 =
𝑎𝑥2 + 𝑎𝑦
2 + 𝑎𝑧2 ), como se muestra en las Figuras 27 y 28. Estas gráficas se muestran
para ilustrar el comportamiento del impacto y la segunda parte de la gráfica muestra
la aceleración únicamente en el primer impacto.
Figura 27. Aceleración en el impacto del casco 3 de mayor precio A) en todo el lanzamiento y B) en el primer
impacto.
Figura 28. Aceleración en el impacto del casco 4 de menor precio A) en todo el lanzamiento y B) en el primer
impacto.
28
En las Figuras 27 y 28 se puede observar que el casco de mayor precio rebota 4
veces (4 picos de aceleración), mientras que el de menor precio rebota 5 veces (5
picos de aceleración). Esto significa que el impacto del casco marca Rockrider es
menos elástico que el de marca B’Twin porque se pierde más energía en cada
impacto y por eso al final rebota una vez menos que el otro casco. Además, la
magnitud de la máxima aceleración en el casco de menor precio (𝑎𝑚𝑎𝑥 = 228𝑔) es
menor a la del casco de mayor precio (𝑎𝑚𝑎𝑥 = 278𝑔). Sin embargo, estos resultados
solo presentan los datos de 2 cascos, en la Tabla 9 se muestra el consolidado de
todos los lanzamientos.
Tabla 9. Aceleración máxima, velocidad antes del impacto y masa de los cascos
Para obtener la velocidad antes del impacto se hizo el análisis en el software Tracker
y se encontró la velocidad máxima en cada lanzamiento. La gráfica de velocidad
que se obtiene usando este software se muestra en la Figura 30. Es importante
aclarar que se grafica la magnitud de la velocidad y por eso no hay valores
negativos, que indicarían el cambio de dirección.
Figura 29. Velocidad en el lanzamiento del casco 1 de menor presupuesto
29
Adicionalmente, se evalúa el desempeño de los cascos basándose en el criterio de
aceleración máxima de la norma, el cual exige que el pico de aceleración no supere
las 250g. En la Figura 30 se puede observar la comparación. Como se puede ver,
el 100% de los cascos marca B’Twin aprobaron el criterio, mientras que en los
cascos marca Rockrider el 50% aprobó la prueba.
Figura 30. Picos de aceleración en los lanzamientos de los cascos
En el artículo “A computational study of the EN 1078 impact test for bicycle helmets
using a realistic subject-specific finite element head model” (Sandberg, Tse, Tan, &
Lee, 2018) se describe una simulación de la misma prueba de absorción de
impactos que se usa en este documento. El resultado de la simulación y la
comparación con dos simulaciones adicionales se muestran en la Tabla 10.
Tabla 10. Resultados de simulaciones computacionales de la prueba de absorción de impactos según EN 1078.
Referencia Masa de la horma (kg) Pico de aceleración (G)
(Sandberg, Tse, Tan, & Lee,
2018)
4.73 223
(Milne, Deck, Carreira, Allinne,
& Willinger, 2012)
5.7 174
(Fahlstedt, Halldin, & Kleiven ,
2016)
4.54 220
Adicionalmente, en la Universidad de los Andes ya se ha estudiado el desempeño
de cascos de bicicleta en pruebas de absorción de impactos. En el 2015, Lina Gallo
30
realizó pruebas bajo la norma ASTM F2032 – 15. Las condiciones establecidas por
esta norma son más exigentes porque se usa para probar cascos de competencias
como BMX (Gallo & Mateus, 2015). Por ejemplo, la velocidad en el impacto es de
6.2 m/s, la masa de la horma es de 5.13 kg y se debe probar en las regiones
laterales y frontales. Los picos de aceleración promedio reportados se muestran en
la Tabla 11.
Tabla 11. Picos de aceleración promedio (Gallo & Mateus, 2015)
Región de impacto Derecha Frontal Izquierda
Pico de aceleración Promedio (G) 352 370 416
Los picos de aceleración que se obtuvieron para los cascos marca B`Twin y
Rockrider son similares a los valores reportados por las simulaciones
computacionales. Sin embargo, en el caso de los cascos de BMX probados con la
norma ASTM F2032 – 15, los picos de aceleración son considerablemente mayores.
Como se explicó anteriormente, las condiciones de las pruebas son diferentes y es
razonable que las aceleraciones sean más altas en las pruebas realizadas bajo la
norma ASTM F2032 – 15. La orientación del casco, el peso y la velocidad de impacto
afectan la aceleración medida.
Con el fin de tener más criterios de comparación entre los cascos, se calcula el
criterio de lesión craneoencefálica (HIC) con un intervalo de tiempo de 15ms. En la
Tabla 12 se muestra el valor de HIC para cada lanzamiento.
Tabla 12. Valores de HIC para las pruebas de caída libre.
Casco de mayor precio Casco de menor precio
Prueba 1 2 3 4 1 2 3 4
HIC 659.09 699.37 942.16 624.57 625.03 777.27 762.17 662.19
El casco con el pico de aceleración mayor también tiene el valor de HIC más alto.
Sin embargo, el segundo caso con mayor HIC es el casco 2 de menor precio que
tiene un pico de aceleración reducido. Esto se debe a que el casco experimentó
aceleraciones de gran magnitud durante un largo periodo de tiempo.
De acuerdo a “Abbreviated injury scale” (AIS) se puede calificar el impacto en 6
categorías. La Tabla 13 recopila esta información (Hayes, Erickson, & Power, 2007).
Además, se puede relacionar el AIS con el valor de HIC para analizar la probabilidad
de lesión como lo muestra la Figura 31.
31
Tabla 13. Escala de lesión abreviada (AIS)
Severidad AIS Menor Moderada Seria Severa Crítica Máxima
Categoría 1 2 3 4 5 6
Fatalidad (%) 0.0 0.1-0.4 0.8-2.1 7.9-10.6 53.1-58.4 …
Figura 31. Riesgo de lesión craneoencefálica basado en valores de HIC (Hayes, Erickson, & Power, 2007)
De acuerdo a esta información, los cascos con un HIC entre 600 y 800 (la mayoría)
tendrían menos 10% de riesgo de presentar lesiones Severas, menos del 40% de
tener lesiones serias, cerca de 80% de tener lesiones moderadas y casi 100% de
tener lesiones menores para las condiciones de la prueba.
Por último, se realizó el estudio de materiales del casco. Los resultados se muestran
en la Tabla 14. Adicionalmente, se buscaron en la literatura las propiedades
mecánicas de los materiales encontrados.
La cobertura del casco de mayor precio (C) tiene un material más rígido que la
cobertura del casco (E). Sin embargo, esto no afecta el resultado de aceleración
porque este material tiene espesor pequeño. En cuanto a la estructura los dos
cascos tienen el mismo material.
32
Tabla 14. Materiales y propiedades de los componentes principales de los cascos.
Parte
Resultados experimentales
ASTM E1252
Comparación literatura
Material Coincidencia
(%)
Esfuerzo de
fluencia (MPa)
Densidad
(kg/m3)
Estructura de E Poliestireno (AZoM,
2001) 79.27 34 1070
Cobertura de E
Cloruro de Polivinilo
(Polyvinyl Chloride PVC,
2019)
68.80 2.6 1380
Estructura de C Poliestireno 83.25 34 1070
Cobertura de C
Policarbonato
(International Polymer
Solutions Inc.)
94.41 70 1200
Bajo el criterio de las 250G de la norma NTC 5239 y el criterio de lesión
craneoencefálica que se calcularon para los 8 lanzamientos, se puede afirmar que
el casco marca B’Twin tiene mejor desempeño que el casco de marca Rockrider.
Principalmente, porque 100% (4 de 4 cascos probados) de las muestras marca
B’Twin aprobaron la prueba de absorción de impactos, mientras que en los cascos
Rockrider el 50% aprobaron la prueba (2 de 4 cascos probados). En cuanto al valor
de HIC, no existe una tendencia clara ya que los datos son muy dispersos y no se
puede afirmar que un casco tuvo mayores HIC que el otro.
33
6. CONCLUSIONES
En primer lugar, se caracterizaron dos cascos de acuerdo a la prueba de absorción
de impactos de la norma NTC 5239. Con los resultados obtenidos se puede concluir
que el casco marca B’Twin tiene un mejor desempeño que el casco marca
Rockrider, debido a que el primero aprobó el 100% de los lanzamientos, mientras
que el segundo solo aprobó el 50%. Según la norma, un casco se certifica si todos
los lanzamientos cumplen con los requisitos, y por esta razón, el casco marca
Rockrider no debería ser certificado y el casco marca B’Twin si debería estarlo.
En segundo lugar, de acuerdo al cálculo del HIC de la mayoría de los lanzamientos
se determinó que, para las condiciones de la prueba, la probabilidad de tener una
lesión severa es de 10%, una lesión seria de 40%, una lesión moderada de 80% y
una lesión menor de casi 100%. Adicionalmente, el casco con mayor HIC
corresponde al casco con el mayor pico de aceleración.
En tercer lugar, se determinó la composición química de los materiales y se encontró
que los dos cascos tienen la misma composición en su estructura principal. Por esta
razón, se puede concluir que la diferencia en el desempeño dinámico de los cascos
está ligado al diseño y a la geometría de los cascos y no a los materiales que los
componen. Un aspecto del diseño y la geometría es el grosor del material en la zona
del impacto que es mayor en el casco de marca B’Twin.
Por último, se cumplieron los objetivos de ajustar la máquina de ensayos de acuerdo
a la norma NTC 5239, y construir una cabeza de ensayos de acuerdo a la norma
NTC 6266. Con estos ajustes se obtuvieron datos de manera segura y precisa para
caracterizar cascos en las pruebas de absorción de impactos en cascos de adultos
para bicicleta.
34
7. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO
En las recomendaciones y trabajo futuro del proyecto, se consideran aspectos de la
máquina, de la experimentación y otros factores que pueden ser relevantes en un
futuro.
• La máquina de caída libre aún tiene imperfecciones que se pueden mejorar.
El primero es la masa de la base para evitar que la máquina se levante
durante los lanzamientos, ya que la solución actual es temporal y no se
acopla. El segundo es el sistema de guías de caída libre, el cuál se mejoró
como se muestra en el documento, pero se puede lograr una solución más
robusta que asegure la repetitividad.
• La medición de velocidades se hace con una cámara que graba a 240
cuadros por segundo lo cual permite calcular la velocidad con una precisión
adecuada. Sin embargo, se podría usar una cámara con que grabe a más
cuadros por segundo para reducir el error o usar sensores de velocidad. Esta
recomendación pretende brindar mayor precisión a los resultados.
• Las herramientas computacionales permitieron calcular el factor de
seguridad del ensamble de la cabeza. Sin embargo, se podría hacer mayor
usó de este recurso simulando los esfuerzos en el casco para asociarlos con
los resultados de aceleración obtenidos.
• Por último, se recomienda abarcar las otras pruebas de la norma NTC 5239
como la prueba que permite determinar la resistencia y la facilidad de
apertura del sistema de sujeción o la efectividad del sistema de sujeción.
35
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