diseño de un vehículo biplaza impulsado por fuerza motriz

MEMORIAS DEL XXVII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE DE 2021 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO

Tema A5 Diseño Mecánico: Diseño de un Vehículo Biplaza Impulsado por Fuerza Motriz Humana

“Diseño de un Vehículo Biplaza Impulsado por Fuerza Motriz Humana”

Samuel Ruiz Avilés, Mario Emigdio Rodríguez Castillo, Luis Manuel Palacios Pineda, Ignacio Ramírez Vargas.

Instituto Tecnologico de Pachuca, Felipe Angeles Km. 84.5, Venta Prieta, Pachuca de Soto, 42083, México.

Dirección de correo electrónico: [email protected].

R E S U M E N

En el desarrollo de este trabajo se presenta el diseño y distribución de los sistemas más importantes para la creación de

un vehículo que es impulsado por Fuerza Motriz Humana. Diseñando así el bastidor, sistema de suspensión y el sistema

de dirección, aunado a esto, se presenta la selección de un sistema de transmisión. El software de diseño asistido por

computadora (CAD-Computer-Aided-Desing) SOLIDWORKS® se empleó en la creación de los diferentes mecanismos y

piezas que conforman los sistemas antes mencionados. para terminar, se presenta la síntesis final de diseño del bastidor

y el análisis de elemento finito, así como también el prototipo.

Palabras Clave: Vehículo Impulsado por Fuerza Motriz Humana, Diseño de sistemas mecánicos.

A B S T R A C T

In the development of this work, the design and distribution of the most important systems for the creation of a vehicle that

is powered by Human Motive Force is presented. The frame, suspension system and steering system were designed in a

conceptual way, coupled with this, the selection of a type of transmission system is presented. The computer-aided design

software (CAD-Computer-Aided-Desing) SOLIDWORKS® was used for the creation of the different mechanisms and

parts that make up the different aforementioned systems, to finish, the design and finite element analysis are presented.

Keywords: Vehicle Powered by Human Motive Force, Mechanical systems design.

1. Introducción

El transporte desempeña un papel primordial en el desarrollo económico y social, es la razón por la cual esta se considera

una necesidad. Sin embargo, la creación de nuevas máquinas

alimentadas por combustibles fósiles, genera daños a la

salud de la humanidad y al cambio climático con la emisión

de GEI (Gases de efecto invernadero) [1].Los vehículos

híbridos propulsados por humanos y por energía eléctrica

presentan el nuevo hito en el ámbito de la Tecnología Verde

[2], por lo que la invención e innovación de medios de

transporte que sean alimentados de manera sustentable,

aportan un beneficio al medio ambiente y a la salud de los

usuarios.

Las ciudades mexicanas padecen serios problemas de contaminación ambiental, y el sector transporte es una de sus

principales causas al contribuir con el 20.4% de la emisión

de GEI, de los cuales el 16.2% proviene del subsector

automotor, en su mayoría, por viajes en transporte individual

motorizado [1], un nuevo informe de Greenpeace Alemania

y East Asia revelo que, de acuerdo con el estudio las

emisiones de GEI de este sector equivalen al 9% del total a

nivel mundial.

Tomando en cuenta las circunstancias de los efectos

climáticos en la actualidad. Existen velocípedos de impulso

motriz humano de cuatro ruedas denominados (Cuadriciclo)

[3], de tres ruedas (Triciclo) [4], y también son creados para uso infantil [5], conviene enfatizar que algunos de los

problemas más comunes son: los costos excesivos y gastos

de importación. No obstante, estos vehículos no presentan

diseños muy estéticos y tampoco un sistema adecuado de

seguridad y confortabilidad. De los primeros resultados fue

incorporar un sistema de pedales para ambos pasajeros. Si

bien se consideró que no siempre habrá dos impulsos, no

siendo esto un condicionante para que pueda ser impulsado

únicamente por el operador. Cabe destacar que, el cuerpo

humano promedio es capaz de generar 1/4 hp pedaleando y,

a este ritmo, puede ser posible un pedaleo continuo por

ISSN 2448-5551 DM 144 Derechos Reservados © 2021, SOMIM


períodos cortos, aproximadamente 10 min [6]. Aunado a

esto se demostró que pedalear a la mitad de esta potencia

(1/8 hp) puede mantenerse durante unos 60 minutos [7].

El bastidor de un vehículo se define como aquella estructura

rígida que unifica los sistemas y piezas de un vehículo, tanto

la carrocería como los distintos elementos y grupos

mecánicos que componen un vehículo (elementos del sistema de transmisión, suspensión, dirección, entre otros).

Este componente es el encargado de llevar toda la carga del

vehículo, por consiguiente, el diseño de dicho elemento

puede estar sometido a cambios durante la creación y

distribución de piezas, sistemas y mecanismos. Las

transmisiones de tipo piñón, catarina y cadena son las más

populares en la invención de este tipo de transportes [8],

además promueven el movimiento cardiovascular y la

estimulación de los músculos de las piernas, la finalidad es

poder implementar en las personas una cultura de constante

movimiento. Por tanto, lo primero en el desarrollo de este

tipo de velocípedos, es la selección de un tipo de transmisión que cumpla con los requerimientos necesarios, para que el

operador cuente con plena seguridad al suministrar energía

a este sistema. Cabe resaltar que una máquina eficiente tiene

como función principal la completa sincronización de sus

mecanismos, con la finalidad de aprovechar lo mejor posible

la energía proporcionada. Los componentes principales de

una suspensión son horquillas, resortes, amortiguadores,

rótulas, entre otros. La función principal de la suspensión

automotriz es suspender y absorber todos los movimientos

bruscos que se producen en la carrocería por efecto de las

irregularidades que se presentan en el camino, de esta

manera otorga una marcha suave, estable y segura. Adicional a esto, la suspensión mantiene la altura adecuada,

los neumáticos correctamente alineados y soporta el peso del

velocípedo. De ahí, la importancia de que este sistema

funcione de una manera correcta y cumpla con su función.

El objetivo principal de este artículo, es mostrar un tipo de

diseño y distribución del bastidor, sistema de transmisión,

sistema de suspensión y sistema de dirección para un

vehículo biplaza impulsado por fuerza motriz humana.

Por lo anterior al ser operado por cualquier usuario, aporte

una cultura de constante ejercicio físico, siendo posible

reducir el índice de obesidad adulta e infantil, no obstante,

se pretende que en México se introduzcan de manera notable este tipo de medios de transporte. Cabe resaltar que el uso

constante del velocípedo no solo mejora la estimulación

cardiovascular, incluso pudiera enriquecer la convivencia

familiar, otra ventaja es que genera cero emisiones

contaminantes.

2. Desarrollo

2.1. Metodología de Diseño

Para el desarrollo del prototipo se utilizó la metodología del

libro [9], la cual establece que para la creación de un diseño

es indispensable seguir una estructura de la siguiente

manera: Se comienza por el reconocimiento de una

necesidad, ya establecido el punto anterior, se procede a la

definición del problema, se elabora una síntesis, se

desarrolla un análisis y una optimización, prosigue una

evaluación y por último la presentación del diseño final, no

obstante es importante mencionar que en el presente artículo

solo muestra hasta la etapa de síntesis, debido a que se ha

desarrollado como diseño conceptual, sin embargo se

muestran fotografías del prototipo en proceso de armado. A continuación, se muestra en la Figura 1 el diagrama que

establece el orden a seguir en el diseño mecánico según el

libro [9].

Figura 1 - Etapas de diseño de la Metodología del libro Diseño en

Ingeniería Mecánica de Shigley.

A continuación, se presenta una descripción de cada una de

las etapas de la metodología que fueron utilizadas para el

desarrollo del presente artículo.

2.1.1 Reconocimiento de la Necesidad

Se identificó que una de las necesidades primordiales de la

humanidad es poder llegar de un lugar a otro de manera

eficiente, por lo consiguiente con la creación del prototipo

se da paso a una forma diferente de transporte. El vehículo

que se está proponiendo no genera ningún tipo de emisión

contaminante y aunado a esto existe la reducción de

consumo de combustible, así como también se reducen

algunas cosas como problemas cardiovasculares en las

personas que dan uso constante a la unidad.

2.1.2 Diseño Conceptual

Éste es el primer y más importante paso en la tarea de la

síntesis. Varios esquemas de solución deben proponerse,

investigarse y cuantificarse en términos de medidas

establecidas. A medida que el desarrollo del esquema

progresa se deben realizar análisis para evaluar si el

desempeño del sistema es satisfactorio, y si lo es, cuán bien

se desempeñará. Se empezó con la creación de los prototipos

conceptuales, que solo incluyen diseño sin especificaciones

de material o cuestiones técnicas como se muestra en la

Figura 2.



Figura 2 – Diseño Conceptual del Primer Bastidor.

2.1.3 Definición del Problema

Se determinó que debe tener características recreativas, para

que se promueva la convivencia entre padres e hijos. Las

limitaciones que se presentan son de vialidad, ya que nuestro

país aún no cuenta con la cultura vial correcta para que este

tipo de vehículos convivan en armonía con los demás transportes motorizados. El vehículo propuesto tiene como

objetivo establecer un espíritu de unidad familiar.

2.1.4 Síntesis

La síntesis, el análisis y la optimización están relacionados

en forma íntima e iterativa. Es posible observar, y debe

destacarse, que el diseño es un proceso iterativo en el cual

se procede a través de varios pasos, se evalúan los resultados

y luego se regresa a una fase previa del procedimiento. En

esta etapa se obtuvieron resultados ya con un ensamblaje y

se buscó perfeccionar de cierta manera el bastidor

2.1.5 Evaluación

Esta etapa representa la prueba final de un diseño exitoso y,

por lo general, implica la prueba del prototipo en el

laboratorio. En este artículo se presenta el diseño completo

del vehículo, se analizaron algunas preguntas como las

siguientes: ¿Es confiable? ¿Competirá exitosamente con

productos similares? ¿Es económica su manufactura y uso?

¿Se mantiene y se calibra con facilidad? ¿Se puede obtener

una ganancia por su venta o uso? ¿Cuán probable es que el producto propicie demandas legales? Actualmente se está

trabajando en esta etapa de la metodología con la creación

del prototipo.

3. Resultados

Para que un vehículo tenga la capacidad de funcionar, es

necesario contar con los siguientes sistemas y componentes:

3.1 Bastidor

Se diseño el Bastidor de tal manera que pudiera unir cada

uno de los sistemas y que también representara seguridad a

los usuarios. En cuestión de peso, se encontró una geometría

que implicó el menor uso de material posible, la propuesta

se presenta en la Figura 3.

Figura 3 – Dibujo del Bastidor Completo.

La siguiente tabla 1 muestra la comparativa entre los

diferentes perfiles que puedieron ser utilizados en el

prototipo del bastidor, cabe mencionar que el uso de cualquiera de estos materiales es conveniente ya que puede

encontrarse en cualquier ciudad del territorio mexicano.

Se propone que el bastidor sea de acero perfil tubular

estructural galvanizado por sus siglas (P.T.R), de (.0381 *

.0381) m y .00189 m de espesor, el tramo de este material

comercial mide 6.10 m, la elección de este material se debe

a su bajo costo, y al ser galvanizado está protegido contra la

oxidación, no obstante, es practico al soldar, ya que permite

ser unido por medio de arco eléctrico, micro alambre, entre

otros.



Tabla 1 – Comparativa de Perfiles para creación del Bastidor.

Tipo de

Material

Sección

(mm)

Espesor

(mm)

Peso

(Kg/m)

Costo

Aproxi

mado

(6.10m)

Costo

Total

Peso

Total

(Kg)

Acero

P.T.R.

Galvaniza

do

38.1*38.1 1.89 2.18 $500 $1500 25.45

Perfil de

Aluminio

6063

38*38 2 0.816 $1400 $4200 9.95

Perfil

Ornamenta

l de Acero

Inoxidable

T304

38*38 2 1.75 $1200 $3600 21.35

3.1.1 Medidas del Bastidor

Para la determinación de las medidas del bastidor se realizó

una investigación de la antropometría del mexicano

promedio, de acuerdo con el libro [10], la estatura promedio

de un mexicano es de 1.67 m, con la finalidad de obtener un

mejor aprovechamiento en el uso de material y de espacios

se usaron las diferentes medidas que aporta tal estudio en

posición sentado y de pie.

Figura 4 – Medidas Utilizadas en el Bastidor de la Antropometría del

Mexicano Promedio

3.1.2 Análisis Estático de Elemento Finito del Bastidor

El bastidor se sometió a un análisis estático de elemento

finito tetraédrico, aplicando una carga de 980 N,

considerando que estarán sentadas dos personas de 100 kg

en cada uno de los soportes del asiento, tal como se muestra

en Figura 5, donde se utilizaron dos empotramientos fijos indicados con flechas verdes y se obtuvo que el valor

máximo de esfuerzo de 149 MPa, fue en la unión del

bastidor con la horquilla trasera, siendo de 203 MPa la

resistencia a la fluencia del material, y con esto se

complementa la fiabilidad en el uso del diseño de dicho

elemento.

Figura 5 – Análisis Estático de Elemento Finito del Bastidor

3.2 Sistema de Suspensión

Para poder implementar un sistema de suspensión adecuado

se utilizaron dos pares de horquillas en la parte frontal y un

par en la parte trasera, una unión de horquillas,

amortiguadores y sujetadores de amortiguador.

3.2.1 Horquillas

La resistencia de las horquillas es primordial, ya que estas

llevaran una parte del peso del velocípedo, por consiguiente,

estas están fabricadas de un P.T.R. de (0.0254 * 0.0254) m

y .00189 m de espesor, como resultado se obtuvo la

siguiente geometría, cabe mencionar que el diseño cuenta

con 2 modelos, inferior y superior, que tienen la misma

medida, sin embargo, la inferior lleva el soporte del

amortiguador, como se muestra en Figura 7. En la Figura 6

se puede observar la horquilla superior.

Figura 6 – Horquilla Superior.

Figura 7 – Horquilla Inferior.



El bastidor incluye los sujetadores de las horquillas y

amortiguadores, dicho elemento es el encargado de

minimizar la vibración que generan los caminos irregulares,

se decidió que estos fueran de, 0.330 m de largo, con una

masa de 1 kg aproximadamente y 0.10 m de carrera. Se

presenta dibujo del amortiguador ensamblado en la Figura

8.

Figura 8 – Suspensión Delantera.

3.2.2 Horquilla Trasera

Para el diseño de la suspensión trasera se llevó a cabo un

análisis de elemento finito para determinar si las horquillas

soportarían el esfuerzo generado por el peso de los usuarios

y el vehículo, lo cual dio la siguiente geometría en la Figura

9.

Figura 9 –Horquilla trasera

3.2.3 Análisis de Elemento Finito de Horquilla Frontal

y trasera

Para el análisis de elemento finito se tomó en cuenta que el

peso está repartido en 4 puntos, combinando pasajeros-

vehículo es de 250 kg, como resultado de este, se obtuvo una

fuerza de 2450N, en ese tenor la fuerza que estaría

soportando cada juego de horquillas es de 612.5N, tal como

se muestra en la Figura 10, donde podemos observar que el

valor máximo de esfuerzo es de 166 MPa y esto deja un

factor de seguridad de 1.2.

Figura 10 – Análisis de elemento Finito de la Horquilla Frontal

En el análisis de la horquilla trasera se demostró que el

diseño cumple con lo requerido para su correcta operación,

se obtuvo un esfuerzo máximo de 142MPa, donde el límite

de esfuerzo de cedencia del material es de 203 MPa.

Figura 11 – Análisis de elemento Finito de la Horquilla trasera

A continuación, se muestra el ensamblaje completo de la

suspensión frontal y trasera en el bastidor.

Figura 12 – Sistema de Suspensión Trasero Completo.

3.4 Sistema de Dirección

Existen muchos tipos de sistemas de dirección y uno de los

más populares en la creación de este tipo de transportes es el

de mecanismo de 4 barras, sin embargo, se encontró que hay

un tipo de dirección mecánica que es posible adaptar al

bastidor, y por consiguiente también resulta ser más

eficiente, si bien el usar una dirección tipo piñón – cremallera, aporta estabilidad, fiabilidad y seguridad de

operación. Dicho sistema está compuesto de una caja de

dirección con diámetro de entrada del eje de 0.021 m, una



distancia entre agujeros de montaje de 0.215 m, la

cremallera tiene una longitud de 0.462 m y una longitud de

rosca de 0.033 m, tal como se muestra en Figura 13 y en la

Figura 14 se indica el sistema de dirección completo.

Figura 13 – Sistema de Dirección Piñón-Cremallera con bieletas.

Figura 14 – Sistema de Dirección Piñón-Cremallera.

3.4.1 Análisis de Cálculo de radio Máximo de giro del

sistema de dirección de tipo Ackerman.

En este análisis, se calculó el radio máximo de giro efectivo

que tendrá el vehículo, es importante que el sistema cumpla

con la condición geométrica conocida como principio de

ackerman, esto con la finalidad de que, al girar en una curva,

esté no gire con respecto a un mismo punto, sino que sean

independientes para evitar el sobreviraje o subviraje.

En la Figura 15, se muestra que el radio máximo de giro del

vehículo es de 2.89 m en la rueda delantera exterior y de

0.311 m en la rueda interior, teniendo en cuenta los siguientes ángulos, con respecto al punto de rotación de las

ruedas traseras, 40.46 grados en la rueda interior y 26.83

grados en la exterior.

Figura 15 – Análisis de Radio Máximo de giro.

3.5 Sistema de Transmisión

Como ya se había comentado anteriormente el sistema tipo

catarina-piñón es el más utilizado y también el más

económico, además presenta un alto rendimiento y también

un bajo índice de fallas, de lo antes mencionado se determinó que el uso de una transmisión que sea (1*6) es lo

más conveniente ya que la relación seria de, un plato de 48

dientes y 0.197 m de diámetro, mostrado en la Figura 16, a

un piñón trasero de 6 velocidades con un plato de diámetro

máximo de 0.115 m, mostrado en la Figura 17.

Figura 16 – Catarina de 48 dientes (0.198m) y manivela

Figura 17 – Piñón de 6 velocidades.

Con la unión de los dos componentes, un desviador y la

cadena se formó la transmisión, tal como se muestra en la

Figura 18, donde se aprecian en paralelo, cada una de las

transmisiones son totalmente independientes y proporcionan energía a cada una de las ruedas traseras del vehículo.

Figura 18 – Ensamblaje de la Trasmisión Paralela.



En la siguiente imagen se ensamblaron todos los

subsistemas antes mencionados de forma individual y se

incluye el sistema de frenos mecánicos de caliper con discos.

Figura 19 – Prototipo del Sistema de Dirección Montado en el

Bastidor.

Se seleccionaron elementos como llantas traseras rodada 26

y las delanteras, rodada 24, faros, batería de 12v, refacción,

mostrados en la figura 22, conviene resaltar que ambas

ruedas delanteras cuentan con un buje dinamo que alimenta

la batería de forma sustentable, sin necesidad de ser

enchufado a una toma de corriente eléctrica, también un tipo de asientos ergonómicos que facilitan el movimiento al

utilizar el carro, el armado total del vehículo se muestra en

las figuras 20 y 21.

Es importante denotar que todo el procedimiento en la

creación de dicho diseño fue en el programa de CAD

SOLIDWORKS®, incluyendo los análisis de elemento

finito antes mostrados.

Figura 20 – Ensamblaje Completo del Vehículo.

Figura 20 – Vista trasera del ensamblaje completo del vehículo.

Figura 21 – Vista isométrica del ensamblaje completo del vehículo.

Figura 22- Prototipo.

Es de suma importancia que el velocípedo sea operado con

casco, guantes e incluso lentes o goggles, se recomienda que

el uso del vehículo sea en fraccionamientos privados, áreas

recreativas y en zonas de poca circulación vehicular como

pueblos o circuitos de parques de convivencia.



Tabla 2 –Tabla de costos de Materiales y componentes seleccionados

Tabla 3 –Tabla de peso de Materiales y componentes seleccionados

para la construcción del prototipo

Conclusiones

1. Se diseñó el bastidor, suspensión delantera,

suspensión trasera, dirección y sus soportes

respectivos, utilizando el programa de CAD

SOLIDWORKS® y análisis de elemento finito.

2. Se seleccionaron los elementos: llantas, frenos,

asientos, faros, batería, parabrisas.

No.

Cantidad Descripción Costo P/U Costo Total

1 4 Tramos de 6

metros $ 500.0 $ 2,000.0

2 2 Rines y llantas de bicicleta rodada

26 $ 590.0 $ 1080.0

3 2 Rines y llantas de Bicicleta rodada

24 $ 590.0 $ 1080.0

4 2 Desviadores

Traseros $ 200.0 $ 400.0

5 1 Juego de Gatillos

para frenos $ 400.0 $ 400.0

6 2 Frenos de Disco

para Bicicleta $ 300.0 $ 600.0

7 2 Caliper para

frenos de disco $ 200.0 $ 400.0

8 2 Sprocket de llanta

trasero de 7 Velocidades

$ 200.0 $ 400.0

9 1

Sistema de Dirección

Automotriz Mecánica

$ 2,000.0 $ 2,000.0

10 1 Volante $ 1,000.0 $ 1,000.0

11 2 Lonas $ 250.0 $ 500.0

12 2 Faros $ 300.0 $ 600.0

13 2 Pares de Pedales

para Bicicleta $ 200.0 $ 400.0

14 2 Mono platos de

48 dientes $ 150.0 $ 300.0

15 4 Amortiguadores de Motocicleta

$ 300.0 $ 1,200.0

16 50 Tornillos de 2 y 3 pulgadas * 3/8 y

7/16 $ 8.0 $ 400.0

17 1 Tramo de Solera

de 2 pulgadas $ 250.0 $ 250.0

18 2 Ejes de centro para bicicleta

$ 200.0 $ 400.0

19 2 Asientos $ 500.0 $ 1,000.0

20 4 Chumaceras de

3/4 $ 100.0 $ 400.0

21 1 2 Mts de Col Roll

de 3/4 $ 150.0 $ 150.0

22 1 Parabrisas de

Acrílico $ 750.0 $ 750.0

No. Cantidad Descripción Peso Unitario

(Kg) Peso

Total (Kg)

1 1 Bastidor 25.4 25.4

2 2 Rines y llantas

de bicicleta rodada 26 0.5 1

3 2 Rines y llantas

de Bicicleta rodada 24 0.5 1

6 2 Desviadores

Traseros 0.1 0.2

7 1 Juego de

Gatillos para frenos 0.1 0.1

8 2 Frenos de Disco

para Bicicleta 0.05 0.1

9 2 caliper para

frenos de disco 0.1 0.2

10 2 Sprocket de

llanta trasero de 7 Velocidades 0.1 0.2

11 1

Sistema de Dirección

Automotriz Mecánica 2.5 2.5

12 1 Volante 0.2 0.2

13 2 Lonas 1 2

14 2 Faros 0.5 1

15 2 Pares de

Pedales para Bicicleta 0.1 0.2

16 2 Mono platos de

48 dientes 0.5 1

17 4 Amortiguadores de Motocicleta

1.5 6

18 50 Tornillos de 2 y

3 pulgadas * 3/8 y 7/16 0.02 1

19 2 Ejes de centro para bicicleta 0.1 0.2

20 2 Asientos 2 4

21 4 Chumaceras de

3/4 0.2 0.8

22 1 2 Mts de Col Roll de 3/4 0.2 0.2

23 1 Parabrisas de

Acrílico 1 1



3. Se construyó el prototipo y su manejo es suave, el

impulso es ligero, su masa total es de 55 Kg y sus

dimensiones son 1.2m de ancho por 1.5m de largo.

4. El costo de materiales y elementos seleccionados

fue de $ 15,910.00 pesos mexicanos

5. La importancia de crear este tipo de transporte tiene

muchos beneficios para las personas y destacan:

ejercicio físico contribuyendo a la estimulación

cardiovascular, reducción de obesidad y estrés, así

como para el medio ambiente, el contribuir a

reducir los gases de efecto invernadero cada vez

que se utiliza este tipo de transporte.

Referencias

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Guadalajara, 2007.

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diseño de un vehículo biplaza impulsado por fuerza motriz

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