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Participación de la sección ASME-SOMIM UMICH en el
HPVC Latinoamérica 2010 de ASME
Danerick Lemus Vargas
Rogelio Aguilar Torres
ABSTRACT
El presente artículo pretende desarrollar la secuencia completa de la participación de la
sección ASME-SOMIM UMICH en el Human Powered Vehicle Challenge Latinoamérica
2010, realizado en Porlamar, Isla Margarita, Venezuela del 17 al 19 de Septiembre. El
equipo estuvo conformado por Rogelio Aguilar Torres, Enrique Fraga Ramos, David
Guerrero Porras, Carmen Lizbeth Huerta Ruíz, Jorge Hernández Murillo, Danerick Lemus
Vargas, Luis Miguel Ponce Herrera y Eddymier Sánchez Rojas, quienes diseñaron y
construyeron su vehículo llamado “Zorro” con el que obtuvieron el segundo lugar global,
posicionando por primera vez a una universidad mexicana en uno de los primeros lugares
en competencias de la ASME. Se detalla información acerca del diseño, la manufactura y
finalmente la competencia.
ABSTRACT
This article aims to develop the complete sequence of the participation of the ASME-
SOMIM UMICH section in the Human Powered Vehicle Challenge Latin-America 2010,
realized in Porlamar, Margarita Island, Venezuela, from 17th to 19th September. The team
was conformed by Rogelio Aguilar Torres, Enrique Fraga Ramos, David Guerrero Porras,
Carmen Lizbeth Huerta Ruíz, Jorge Hernández Murillo, Danerick Lemus Vargas, Luis
Miguel Ponce Herrera and Eddymier Sánchez Rojas. The team designed and built their
vehicle called “Zorro” with which places second overall, placing at first time, a Mexican
university on the first places in competitions of the ASME. Below is detailed information
on designed, manufacturing and finally the competition.
INTRODUCCION
La ASME (American Society of Mechanical Engineers) organiza anualmente competencias
de diseño a nivel internacional, una de ellas es el Human Powered Vehicle Challenge
(HPVC) y en su edición 2010 Latinoamérica, tuvo lugar en Porlamar, Isla de Margarita,
Venezuela. EL HPVC consta de diseñar un vehículo de propulsión humana, capaz de
cumplir con algunos puntos predefinidos de la convocatoria, realizar los análisis
computacionales y experimentales necesarios para demostrarlo. Sin embargo, la
competencia no se limita al diseño, sino que también se llevan a cabo pruebas de resistencia
física con el fin de comparar el funcionamiento real de los vehículos participantes. La
sección ASME-SOMIM UMICH de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la UMSNH
tuvo el honor de, no solo representar a la Universidad, sino a México en esta competencia
internacional que se llevó a cabo en Septiembre del 2010.
El HPVC es una competencia que se ha llevado a cabo desde el 2008 en su versión
Latinoamerica, teniendo como participantes a las universidades del Distrito I, es decir,
Centroamérica y Sudamérica, sin embargo al ser una competencia Latinoamericana México
es siempre invitado a participar, siendo este del Distrito E. La importancia de la
participación de la sección ASME-SOMIM UMICH se basa en posicionar a la Universidad
Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, como una universidad de calidad y competitiva a
nivel internacional, así como la representación de México en un competencia de ingeniería
a nivel estudiantil.
Un vehículo de propulsión humana (HPV), es cualquier vehículo impulsado
exclusivamente por la fuerza muscular del ser humano. La bicicleta reclinada es un tipo de
bicicleta en la que el ciclista adopta una posición más cómoda pero también más
aerodinámica, por lo que en terreno llano o favorable es más veloz que la bicicleta clásica.
En las pendientes en ascenso dependerá sobre todo del peso ya que a bajas velocidades no
le permiten hacer valer su ventaja aerodinámica.
EL DISEÑO.
El objetivo es diseñar y crear un vehículo para competir dentro de la categoría unrestricted,
para lo cual el equipo se decidió por un vehículo triciclo lo suficientemente seguro para el
usuario que le permita al mismo, alcanzar mayores velocidades que las que se lograrían con
una bicicleta normal. La estructura del chasis debe poder soportar fuerzas por impactos de
determinadas magnitudes y debe tener un nivel aerodinámico importante. El vehículo
también deberá ser lo suficientemente práctico para el usuario y lo bastante estético para
lograr llamar la atención de posibles compradores.
Disponer de tres ruedas hace más estable al vehículo, a velocidades normales no existe
riesgo de vuelco y es más cómodo para largas travesías. Aunque en estos vehículos se
puede conseguir fácilmente altas velocidades, no son interesantes por su rapidez. A mucha
velocidad, tomar una curva puede ser algo peligroso, pues tienen más riesgo de vuelco que
los de dos ruedas, cada curva obliga al usuario a frenar y después tener que acelerar.
A cerca de los criterios de diseño, el chasis del vehículo debe ser lo más liviano posible y a
la vez lo más fuerte estructuralmente, para ello, el aluminio es el mejor candidato. La
carrocería es un requisito para la competencia, por lo que debe ser estrictamente
aerodinámica y estéticamente atractiva. Esta no debe reducir el campo de visión ni debe
ocasionar molestias al usuario, para efectos de control del vehículo. Por supuesto, el peso
de la carrocería debe reducirse al mínimo. Con respecto a diseño ergonómico, el asiento
deberá ser de un material cómodo, resistente y ligero. El ángulo de inclinación del asiento,
juega un papel importante en el desempeño físico del usuario, al ser éste dentro de un rango
de 20º a 70º (del respaldo, respecto a la horizontal), ya que ésta medida influye en el campo
de visión como en la eficiencia de la potencia transmitida al vehículo. Para la seguridad del
usuario, debe considerarse un sistema de protección antivuelco, lo más sencillo y funcional
posible, debido a que cualquier accesorio adicional representa un mayor peso. Se debe
incluir un cinturón de seguridad, que basados en el estado del arte, cuatro puntos es la
mejor y más práctica opción, debido a que en situaciones de accidente, este tipo de cinturón
mantiene el cuerpo del usuario en el asiento con mayor ventaja, que uno de dos o tres
puntos.
Otros sistemas fundamentales a desarrollar, son la transmisión, dirección y frenado. El
diseño de la transmisión del vehículo debe hacerse en base a las partes y accesorios
disponibles para bicicletas comerciales, para una fácil adquisición y asegurar un
mantenimiento semejante al de estas. La dirección del vehículo debe ser lo suficientemente
sensible para el control del usuario, pero también debe ser capaz de mantenerse en
dirección en línea recta por 30.5 m., sin usuario abordo. La dirección debe alcanzar un
radio de giro de 8 m. Con respecto a los frenos, el vehículo debe frenar en un tramo de 6
m., desde una velocidad aproximada de 24 km/hr. Al ser un vehículo de tres ruedas, el
estado del arte nos indica que es conveniente hacerlas frenar todas, estudiando como
mejores opciones los frenos de disco para la parte delantera y V-brake para la parte trasera.
Las características adicionales del vehículo, deben justificarse por sí mismas y no
representar solo una carga adicional y mucho menos interferir con el desempeño físico del
usuario. En caso de que estas características sean ajustables según las circunstancias del
usuario, debe existir un mando de control sencillo y al alcance del mismo.
El siguiente paso, fue la presentación de algunas propuestas de diseño:
Propuesta A: Este primer prototipo está enfocado para el transporte de dos usuarios con
una disposición de cuatro ruedas y una carga adicional en la parte trasera. El vehículo
recibiría la potencia de dos personas, transmitida a las ruedas traseras, mientras que la
dirección estaría a cargo de una de ellas. La estructura cuenta también con un sistema anti-
volteo muy completo,
cubriendo por completo
la seguridad de los
usuarios ante un
impacto en cualquier
dirección. La idea de
transportar cargas
considerables, está
enfocado para un uso
urbano.
Propuesta B: Prototipo de forma del chasis simple, con espacio para el asiento del
usuario y la instalación de las tres ruedas. Dos de ellas forman la dirección y una trasera la
tracción. El chasis estaría conformado por tubos de aluminio 6063, de un diámetro
aproximado de 1 pulgada. Con respecto a la seguridad, el chasis dispone de un arco en la
parte superior que protege la cabeza parcialmente a un ángulo de 12º con respecto a la
vertical.
Propuesta C: Este modelo presenta una forma similar al anterior, con respecto a la
disposición de las ruedas, sin embargo, la diferencia radica en la protección al usuario. El
asiento se instala al chasis en la parte inferior y es reclinado a un ángulo de 50º. El arco que
presenta como portección al usuario, consta de cuatro tubos salientes que protegen por los
costados. Posee menor longitud total de tubo, siendo estos de un diémetro igualmente de 1
pulgada.
Propuesta D: El tercer prototipo, es en realidad una combinación de los anteriores,
destacado por mejorar el sistema de protección al usuario de la propuesta C, con un cuadro
en el respaldo y la protección a la cabeza de la primera propuesta. Por lo tanto se observa la
supresión de los tubos salientes y con terminación abierta indeseable del modelo anterior.
La selección de la propuesta se realizó mediante el método “Proceso Analítico Jerárquico”
(AHP), la cuál es una técnica usada para la toma de decisiones con atributos múltiples.
Permite la descomposición de un problema en una jerarquía y asegura que tanto los aspectos
cualitativos como cuantitativos de un problema sean incorporados en el proceso de avaluación,
durante el cual la opinión es extraída sistemáticamente por medio de comparaciones entre
pares. En el caso de este proyecto se usó esta escala:
1- Igual importancia
3- Importancia moderada de uno sobre el otro
5- Esencial y fuerte importancia
7- Importancia muy fuerte
9- Importancia extrema
2,4,6,8 - Valores intermedios
C1: Tamaño y
apariencia
A B C D Peso
A 1 1/8 1/9 1/8 0.03835
B 8 1 1/3 2 0.28552
C 9 3 1 1/2 0.36014
D 8 1/2 2 1 0.31598
C2: Manufactura
y ensamble
A B C D Peso
A 1 1/7 1/8 1/7 0.00544
B 7 1 1/3 1/2 0.02518
C 8 3 1 1/2 0.29081
D 7 2 2 1 0.67855
C3: Practicidad
y Servicio
A B C D Peso
A 1 1/3 1/3 1/3 0.10157
B 3 1 2 1 0.36238
C 3 1/2 1 1/2 0.17365
D 3 1 2 1 0.36238
C4: Seguridad A B C D Peso
A 1 4 4 3 0.56864
B 1/4 1 1/2 1/3 0.00900
C 1/4 2 1 1/3 0.13803
D 1/3 3 3 1 0.28432
Criterios C1 C2 C3 C4 Peso
C1 1 1/4 1/2 1/4 0.09509
C2 4 1 3 1/2 0.35400
C3 2 1/3 1 1/3 0.05026
C4 4 2 3 1 0.50063
Matriz de
decisión
A B C D
C1 0.09509 0.03835 0.28552 0.36014 0.31598
C2 0.35400 0.00544 0.02518 0.29081 0.67855
C3 0.05026 0.10157 0.36238 0.17365 0.36238
C4 0.50063 0.56864 0.00900 0.13803 0.28432
Ponderación final 0.29535 0.06820 0.21502 0.43080
Interpretando los resultados que arrojan las matrices del proceso analítico jerárquico, en
base a las calificaciones otorgadas por el equipo de diseño, podemos apreciar, que la
propuesta D, es la que mejor cumple con nuestros requerimientos, por arriba de la
propuesta A. Por lo tanto la propuesta D se convirtió en nuestra base de diseño.
Se requiere analizar también la relación de calidad a la que se puede aspirar en base a los
recursos presentes. El Despliegue de la Función de Calidad (Quality Function Deployment
– QFD) es un método de diseño de productos y servicios que recoge la voz del cliente
(requerimientos) y la traduce, en características de diseño y operación, ayudando a
satisfacer las demandas y expectativas del mercado, ahorrando tiempo y costos, logrando
así la mejora continua y poder así ofertar un producto o servicio que cumpla con los
estándares de calidad necesarios y características deseables elevando la productividad y
rentabilidad en una empresa.
En nuestro caso, el análisis e interpretación de información, los resultados concluyeron que
las características del cliente en nuestro modelo son la durabilidad, rapidez, estética,
confortabilidad, seguridad e innovación en el diseño, correlacionándolos con las
características técnicas de diseño como son el tamaño y apariencia, manufactura y
ensamble, practicidad y servicio y por supuesto, la seguridad.
DISEÑO PARA LA MANUFACTURA DEL CHASIS.
Se consideró utilizar tubos de aluminio 6063 estructural T6 Cédula 40, ya que posee
características ideales para el uso que se le va a dar. El aluminio 6063 es un material muy
utilizado en la fabricación armaduras que son sometidas a cargas importantes atendiendo la
necesidad de ser ligeros como por ejemplo los cuadros de bicicleta. Para ensamblar el
chasis, se debe utilizar soldadura TIG (Tungsten Inert Gas) o MIG (Metal Inert Gas), la
diferencia entre ambas radica en la calidad de cordón siendo el proceso TIG más limpio y
de mejor calidad. A continuación, algunas características físicas del metal:
Características Técnicas
Peso específico gr/cm! 2.7
Carga de rotura N/mm" 220
Límite elástico N/mm" 170
Alargamiento % 14
Módulo de elasticidad N/mm" 70000
Dureza Brinell HB 65
Diseño para la transmisión. Se ha procurado que la selección de partes que componen la
transmisión de potencia, estén dentro del mercado de accesorios para bicicletas, pedales,
cadenas, estrellas y frenos. Se ha diseñado para alcanzar 18 velocidades. La disposición de
la misma se puede apreciar en la siguiente figura. Las bielas delanteras poseen 2 pasos en
su multiplicación con 50 y 34 dientes respectivamente.
Diseño de la dirección. Se requiere de un radio de giro de 8 metros, sin embargo, se ha
decidido disminuir el radio a 6 metros, para lo cual, el diseño de la dirección, se
fundamenta en un cálculo sencillo, función del radio deseado a virar (6000 mm), distancia
entre la rueda trasera y las ruedas de dirección (1100 mm) y la distancia entre las ruedas y
el eje del vehículo (300 mm).
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Para efectos prácticos, el ángulo lo podemos redondear a 11º, por lo que podemos concluir
que se trata de un ángulo muy pequeño y no existe inconveniente de interferencia entre la
rueda y la carrocería en el avance.
DISEÑO PARA LA SEGURIDAD Y ERGONOMÍA.
La seguridad debe conjugar a la estructura y al arnés de seguridad. Un cinturón de cuatro
puntos ofrece una mayor sujeción del usuario. Con respecto a la posición de la espalda, el
ángulo será de 120º ya que está dentro del ángulo de confort y no compromete el ángulo de
visión. Este ángulo, además permite la impresión óptima de la fuerza muscular. El asiento
podrá ser prefabricado y/o modificado, pero considerando siempre un peso mínimo.
Diseño de la carrocería. Se propusieron algunos dibujos preliminares como los que se
muestran en las figuras. Destaca forma aguda de la parte delantera, bordes curvos para
permitir el flujo del aire disminuyendo así, la fricción del mismo. Un área proyectada
pequeña para conseguir un coeficiente de arrastre bajo y por supuesto se considera la forma
estética.
DISEÑO DE CARACTERÍSTICAS ADICIONALES.
Se consideró diseñar un sistema electrónico, alimentado por la acumulación de energía que
generan dos dinamos de 12V posicionados en la rueda trasera. El circuito se puede describir
de la siguiente manera: Un par de faros rojos para indicar el frenado, otro par de faros
blancos delanteros y un par más de faros amarillos que sirven como direccionales y cuatro
leds que indican cuales faros están encendidos en un mando de control del usuario. Se
muestra el diagrama detalle del PIC y los faros, así como el ensamble.
ANÁLISIS DE ESFUERZOS.
El sistema de protección al usuario (Roller Protection System – RPS) está definido por el
chasis, al poseer tubos salientes en lo costados, que conforman un cuadro para la instalación
del asiento, además, se cuenta con un arco sencillo que cubre parcialmente la cabeza a un
ángulo de 12º con respecto a la vertical. Esto conjugado con el cinturón de seguridad de
cuatro puntos, integran el sistema de seguridad. Para el diseño y análisis computacional del
modelo mediante el método del elemento finito, se utilizaron SolidWorks®
2009 y
Autodesk®
Inventor 2011.
El objetivo de éste primer análisis es encontrar las concentraciones de esfuerzos máximas
en el chasis, así como los desplazamientos críticos en el mismo, ante una carga en la parte
superior con la finalidad de rediseñar parcialmente la estructura.
El análisis de elemento finito simula un impacto causado por el volteo del vehículo y
soportando una carga de 600 lbf en la parte superior a un ángulo de 12º con respecto a la
vertical. El modelo esta conformado por tubos de una pulgada nominal en su totalidad y
tiene una masa de 6.916 kg. En este caso se ha considerado colocar las restricciones de no
deslizamiento en los tubos donde van ensambladas las ruedas, ya que está simulando un
impacto en un punto contrario a la posición de las mismas.
La primera figura, representa la concentración de esfuerzos en el chasis, que como se puede
observar, existe un valor máximo en el punto unión entre los cuatro tubos en la parte del
respaldo, alcanzando aproximadamente 247.5 MPa, lo cual rebasa el valor límite elástico de
170 MPa de esta aleación (Aluminio 6063 T6), causando una deformación permanente. Por
otra parte, el resultado del análisis de desplazamiento, indica los puntos críticos en la parte
del respaldo, a la altura que tendrían los hombros del usuario, con un valor de 1.861 mm.
En base a los resultados, podemos sugerir una disminución del diámetro de los tubos, con la
finalidad de reducir el peso como primer objetivo. Como vimos, la estructura se deforma
plásticamente en el área del respaldo y el desplazamiento es relativamente pequeño, no
alcanzando las 2 pulgadas reglamentadas por la convocatoria. Por lo que se debe realizar
una modificación.
Se ha disminuido el calibre en la mayoría de los tubos a # pulgada, dejando únicamente
como de una pulgada los tubos de la parte inferior, que unen el respaldo con los pedales.
Para corregir el problema de la concentración de esfuerzos en el punto de unión entre los
cuatro tubos de la parte del respaldo, se propone una disposición semejante al prototipo B,
donde los tubos que sujetan la rueda trasera mantienen una distancia entre sus centros
constante hasta la unión con el tubo del respaldo. Luego de las modificaciones se observa
que la masa total ha disminuido hasta 5.357 kg.
El análisis de esta iteración, arrojó los siguientes resultados. Con respecto al esfuerzo
máximo, alcanzó un valor de 142.3 MPa, que podemos presumir se encuentra por debajo
del límite elástico de 170 MPa. En cuanto al desplazamiento máximo elástico, se ha logrado
también disminuirlo hasta 1.298 mm, por lo que se ha logrado un refinamiento exitoso.
En un segundo análisis, se pretende encontrar las concentraciones de esfuerzos máximas en
el chasis, así como los desplazamientos críticos en el mismo, ante una carga lateral para
corregir algún aspecto del diseño. El análisis simula un impacto lateral causado por el
volteo del vehículo. De acuerdo a la convocatoria, el vehículo debe soportar una carga de
300 lb, en la estructura a la altura del hombro del usuario. En este caso se ha considerado
colocar las restricciones en el tubo del lado contrario al del impacto. Se somete a análisis el
modelo rediseñado, en la parte anterior.
Los resultados indican que el esfuerzo máximo es de 129.8 MPa, valor inferior a los 170
MPa del límite elástico. Por otro lado el desplazamiento máximo es de 1.022 mm, que de
igual manera se encuentra por debajo de 1.5 pulgadas reglamentadas y no corre riesgos el
piloto en caso de algún percance.
ANÁLISIS AERODINÁMICO.
El objetivo de esta sección, es analizar un par de modelos aerodinámicos, previamente
propuestos, para la selección del diseño de la carrocería en base a los resultados y al
atractivo visual. Es necesario hallar un coeficiente de arrastre mínimo, teniendo 0.35 como
límite.
Se realizaron dos modelos prototipo CAD, mediante superficies en el software
SolidWorks®
2009, ambos diseños propuestos para ser comparados y seleccionar uno de
ellos.
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Se exportaron ambos modelos a Gambit®
para procesarlos. Primeramente se hizo un
suavizado de líneas para que el software reconociera las líneas como reales y no como
virtuales, para luego convertirlo en un volumen y finalmente discretizarlo y definir las
condiciones de frontera. Posteriormente se exportó el modelo a Fluent®
, donde se
especifican las condiciones de análisis.
• Tipo de fluido: Aire
• Velocidad del fluido: 3.32 m/s
• Modelo viscoso: Laminar
• Area transversal del modelo A: 0.283 m"
• Area transversal del modelo B: 0.347 m"
El análisis en Fluent arrojó los siguientes resultados:
• Coeficiente de arrastre del modelo A: 0.284
• Coeficiente de arrastre del modelo B: 0.293
Con estos resultados podemos decir que nuestros modelos son aerodinámicamente
competitivos en comparación con otros vehículos de alta velocidad, que van de 0.5 a 0.3.
La diferencia entre ambos coeficientes es relativamente despreciable, por lo tanto en la
elección del modelo pueden involucrarse otros factores de diseño interior destinado al
usuario o accesorios.
Por otro lado, se decidió conocer, mediante el método experimental, los coeficientes de
arrastre de los modelos A y B, y evaluar los resultados para realizar una elección del
modelo final. La metodología consiste en someter a prueba los modelos a escala 1/13 de la
carrocería del vehículo en un túnel de viento, para calcular las fuerzas de arrastre, a una
velocidad promedio del ventilador axial de 12 m/s.
Se obtuvieron semejantes resultados, por lo que se pudo elegir con libertad, en función del
diseño estético y el espacio interior. A 12 m/s se alcanzaron -0.7 N de fuerza de arrastre,
ahora bien, al escalar el modelo a un tamaño real, se estimó que el modelo real tendría las
mismas condiciones de arrastre a una velocidad de 3.32 m/s relativa al viento. A
continuación, los cálculos hechos sobre el modelo B, el cuál fue seleccionado.
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Finalmente, se logró un diseño completo y satisfactorio para el equipo. Teniendo en
consideración los detalles más importantes del mismo, se pudo elaborar una representación
tridimensional del vehículo, del cual se presentan a continuación algunas capturas
renderizadas. Con esto concluye la primera parte de esta secuencia, que describió la
metodología de diseño del vehículo de propulsión humana “Zorro”, evocando a la mascota
de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
LA MANUFACTURA
Para la manufactura del chasis se procedió a calcular la distancia de cada tubo haciendo uso de
software CAD, cada tramo requiere de diferente preparación para su ensamble como cortes en
ángulo, bocas de pescado, rolados, filetes y ranuras por lo que se maquinaron para hacerlos
embonar entre sí y asegurarnos de que cada uno mida dentro de las tolerancias de manufactura.
El aluminio tiene la peculiaridad de formar rápidamente una película de óxido en su superficie
después de ser limpiado, debilitando la soldadura y perjudicando la calidad de las uniones, así,
siempre segundos antes de comenzar con cada cordón se limpian las partes con un cepillo de
alambre a fin de eliminar esta película y cualquier otra impureza. Todo el proceso de ensamble y
soldadura no tomó más de 2 días.
Algunas partes más críticas como lo son las placas que sujetan el desviador de la rueda trasera y
el bloqueo trasero, se cortaron en una fresadora CNC por la complejidad de su geometría.
La dirección de un vehículo debe de ser lo más suave posible por lo que en todos los ejes
móviles se colocaron rodamientos de diferentes tipos: dos de aguja en los tubos de dirección de
cada rueda, dos rodamientos de bolas en el vástago central de dirección y uno de recargue debajo
del manubrio para sostener el peso del mismo.
Para el montaje del equipo de transmisión se hicieron varias roscas en la estructura del chasis,
una en la placa de bloqueo trasera para el desviador trasero, dos internas en el tubo de las bielas
(una rosca derecha y otra izquierda) para la colocar el eje de la multiplicación delantera, dos
debajo del chasis para montar los rodillos de la cadena y uno en el tubo del desviador delantero
para montar los cables de velocidades. Cada uno de diferente diámetro y rosca.
Una rueda dentada para cadena trabaja bien a altas velocidades si se encuentra perfectamente
bien alineada a la trayectoria de la cadena, de lo contrario hace ruido y en el peor de los casos se
sale de su tangencia, así, se optó por suprimir las ruedas dentadas en los casos donde no se
transfiere potencia directa y sustituirlas por rodillos que giren libremente de un material
autolubricable. Teniendo varias opciones plásticas para tal efecto seleccionamos el POLY-MAQ.
El POLY-MAQ es un Polietileno de ultra alto peso molecular (UHMW-PE) de color blanco
producido por moldeo, compresión y por extrusión, tiene un gran nivel de resistencia a la
abrasión y al impacto que no supera ningún otro plástico. El bajo coeficiente de fricción,
conjuntamente con la resistencia a la abrasión y el grado de dureza, produce una superficie
autolubricante y antiadherente. Por sus características, es de amortiguación sonora, absorción de
energía, nula absorción de líquidos y tiene propiedades dieléctricas y aislantes que sirven para
fabricar partes que trabajan en condiciones de abrasión severas y con baja carga mecánica. Tiene
excelentes propiedades dieléctricas, resistencia química, tan fácil de maquinar como la madera y
su peso es 8 veces menor al del acero. Así, fue la mejor opción para la fabricación de nuestros
rodillos de transmisión.
Un elemento crítico en la manufactura son los ejes delanteros donde se colocan los conos para
armar los rodamientos, debido a que nuestro triciclo carece de horquillas delanteras que le
ayuden a dividir la carga, se elaboraron del material más rígido maquinable disponible en el
mercado local en ese momento: Acero tratado 4140.
El montaje de las balatas de los frenos de disco delanteros fue sobre piezas diseñadas y
elaboradas de solera de acero, esto debido a la importante carga que se tiene en los elementos de
potencia y un material de menor resistencia hubiera fallado.
En vista de que la mayor causa de pinchaduras en los neumáticos de un vehículo es el atropello a
altas velocidades de irregularidades en la pista como piedras o baches, se implementó un sistema
de suspensión consistente en dos tubos concéntricos de diferentes diámetros y un resorte de 10
cm de largo en el resorte interior. Con esto se tenía un desplazamiento de amortiguación de
aproximadamente 6 cm haciendo un viaje más cómodo a velocidades altas.
Para el manubrio se optó por fabricarlo de tubos de acero, esto debido a la necesidad de
maquinarlos y rebajarlos para colocar los duales de cambios.
Para facilitar el acceso del piloto al interior se colocó una puerta tipo lambo en el flanco
izquierdo del vehículo y una puerta más en la parte trasera, siendo éste uno de los maquinados de
sitio improvisados en vista de la necesidad de hacer más cómodo el ingreso y el cambio de piloto
así como el ajuste de las velocidades traseras y el cambio de la rueda.
Una vez que se tenía soldado el chasis y ensamblada la dirección, transmisión, suspensión y
frenos se procedió a probar el vehículo por el interior del campus universitario para detectar
ruidos o cualquier posible falla que pudiera tener el conjunto.
Ya con el tiempo un poco corto para la competencia se comenzó con el proceso de fabricación de
la carcasa colocando un esqueleto de alambrón que cubría los perfiles más importantes del
contorno de la carrocería, así, se cubrió de malla los espacios entre el esqueleto a fin de generar
una geometría igual a la diseñada y probada en el túnel de viento. Éste proceso no tomó más de 5
días en lo que aplicaban y secaban las capas de resina.
El parabrisas constó de una placa de acrílico trasparente y cuadrada de 80x80 cm y 4 mm de
espesor doblada con pistola de calor. Las características del material no hicieron posible que se
generara un radio del parabrisas de 20 cm como lo marcaba el diseño original consiguiendo un
radio de 26 cm haciendo un poco más tosca y larga la parte frontal.
La parte electrónica como los dinamos, las luces, el micro controlador PIC, los switches del
tablero y el cableado se colocaron en este punto.
Se lijó la totalidad de la carrocería quitando la mayor cantidad de porosidad y prepararlo para el
proceso final de pintura.
Por último, ya con la carrocería terminada se aplicaron dos capas de sellador en aerosol y un litro
de pintura automotriz de color negro mate y protectores de goma en los bordes de la fibra para
eliminar posibles filos y aumentar la estética final del vehículo.
LA COMPETENCIA
El Human Powered Vehicle Challenge Latinamerica 2010, se programó para los días del 17 al 19
de Septiembre, en la ciudad de Porlamar, Isla de Margarita, Venezuela, mientras que el registro
de los equipos participantes se había fechado 30 días antes, día en que se debió mandar el reporte
completo de diseño y llenar algunas formas que se solicitaban. Todos estos documentos fueron
enviados vía e-mail a las oficinas centrales de ASME en Nueva York, para su revisión y tramite
correspondiente. Posteriormente se debía esperar poco más de una semana, para recibir la
confirmación de registro en caso de resultar aprobado nuestro diseño. Por supuesto recibimos
dicha confirmación, sin embargo, se nos informó que éramos el único equipo registrado para
competir en la categoría Unresctricted (sin restricciones) y por lo tanto, dicha categoría no podía
abrirse tendiendo que competir en la categoría Speed (velocidad). Esta noticia, dejaba al Zorro
aparentemente en desventaja. Se nos asignó también el numero 6, como numero de equipo
registrado y el cual tendría que portar el vehículo.
El equipo del Zorro estuvo conformado por Eddymier Sánchez Rojas, Rogelio Aguilar Torres,
Carmen Lizbeth Huerta Ruíz, David Guerrero Porras, Luis Miguel Ponce Herrera, Danerick
Lemus Vargas, Enrique Fraga Ramos y Jorge Hernández Murillo. El viaje se programó para
partir el día 14 de septiembre de la Ciudad de México, trasbordando en Bogotá, Colombia, para
posteriormente arribar a la ciudad de Caracas, Venezuela. El siguiente vuelo partiría la tarde del
15 de septiembre de Caracas a la Isla de Margarita, llegando finalmente a nuestro destino, donde
nos esperaba David Velásquez, presidente del comité organizador del HPVCL 2010, para darnos
la bienvenida.
Jueves 16 de septiembre. se dedico por completo al ensamblado del vehículo. El objetivo
fue rearmarlo y verificar los pormenores, ya que al día siguiente se iniciaba la primera prueba de
diseño e inspección estática. Esta tarea, consumió prácticamente todo el día.
Primeramente se desempacaron ambas secciones, en seguida nos dimos a la tarea de montar el
sistema de transmisión de cadena, el cuál demoró bastante tiempo, debido al ajuste de las
velocidades. Posteriormente se ensambló el sistema de amortiguamiento y dirección en la parte
delantera. Esta tarea es muy delicada debido a que se debe lograr una calibración óptima esta. Se
cuidó el correcto acomodo de los cables de frenos y algunos cables más del sistema eléctrico del
vehículo, de manera que no interfirieran con el desempeño del piloto y que permanecieran
discretos a la vista de cualquiera. Se instalaron dos dinamos en la llanta trasera, colocados,
únicamente para la prueba de diseño, ya que en la competencia de velocidad, la fricción, debida
al contacto del generador con la llanta podría causar una perdida de potencia mínima pero con
importante desgaste de la rueda. Finalmente se colocaron los faros en sus posiciones, así como el
cinturón de seguridad. Se cubrieron los detalles estéticos, como el forro del asiento y el
recubrimiento de los bordes de la carcasa de fibra de vidrio, dejando únicamente sin ensamblar la
parte delantera de la carcasa, para poder realizar observaciones durante una breve verificación de
funcionamiento.
Al final de la jornada, se hizo una pequeña prueba de pedaleo, la terminó en un grave problema
desoldando el tubo delantero que sostiene los pedales. En un caso hipotético, en que el piloto
hubiera desarrollado una alta velocidad y enseguida se hubiera desoldado esta pieza, sin duda,
hubiera terminado en una desgracia, en la que por la alta velocidad de la estrella de los pedales,
ésta hubiera alcanzado con sus dientes, las piernas del piloto, causándole graves heridas.
Afortunadamente ocurrió que se desoldara a una baja velocidad y no en competencia. Sin
embargo, se trataba de una falla estructural, una noche antes del primer día de la competencia y
con bajas posibilidades de hallar un taller con soldadura TIG (siendo esta misma, difícil de hallar
en un taller común en Morelia). Se propusieron algunas soluciones inmediatas, que fueran
factibles de realizar al día siguiente, en caso de no conseguir soldar el aluminio directamente.
Viernes 17 DesignEvent. Este evento tuvo lugar en un auditorio acondicionado, en una
localidad a unos kilómetros de Porlamar. Al llegar al lugar del evento, se dieron las facilidades
para poder corregir el desperfecto en un taller, siendo para el favor del equipo, lograr soldar el
aluminio, sin embargo, para asegurar que esta situación volviera a repetirse por fatiga, debido al
pedaleo en este tubo, se soldaron dos nervios más de aluminio, que unen al mismo con los tubos
que sostienen a ambas ruedas delanteras.
Primeramente se realizó la inauguración del HPVCL 2010, así como las inscripciones y registro
del equipo. La prueba consistió en una exposición oral del vehículo, presentando el desarrollo
del diseño y construcción. Posteriormente el jurado debía hacer una inspección estática,
evaluando los requisitos de la convocatoria y las medidas de seguridad. En seguida, se realizaron
las pruebas de radio de giro y distancia de frenado. Se registraron cinco equipos en total, de los
cuales, únicamente cuatro equipos se presentaron, siendo la Universidad Michoacana de San
Nicolás de Hidalgo, la única universidad mexicana.
En lo que respecta a la participación de la sección ASME-UMICH, se tuvo una muy buena
exposición, presentando incluso los modelos a escala que se sometieron a pruebas en el túnel de
viento. El Zorro, llamaba la atención por su diseño triciclo y su sistema eléctrico, el cual poseía
un control de mando al alcance del usuario y funcionamiento fue demostrado, (fácilmente
apreciable en la oscuridad). En las pruebas de radio de giro y distancia de frenado, el vehículo no
tuvo ningún problema aprobando ambas. En general, el papel del equipo fue muy bueno,
obteniendo el segundo lugar, de manera parcial por el este primer día de competencia.
Sábado 18 Drag-RaceEvent. La competencia del segundo día, consistió en pruebas de
aceleración, en las categorías femenina y masculina. Estas pruebas fueron hechas por pares de
competidores, uno a uno y por eliminación directa. La distancia dispuesta en la que se debía
desarrollar la mayor aceleración posible, fue de aproximadamente 300 metros y literalmente al
nivel del mar.
En ambas categorías, el Zorro alcanzó aceleraciones mayores que el resto de los competidores,
debido a que al ser un triciclo, el piloto no debe preocuparse por la estabilidad del vehículo, a
diferencia de los biciclos, que deben alcanzar determinada velocidad para lograr una inercia
suficiente. Por otro lado, la carcasa de fibra de vidrio de dos de los otros equipos, era demasiado
grande y pesada, por lo que para una ligera inclinación, era de importancia poder contrarrestar el
peso en sentido contrario. Por lo tanto los resultados al final de día, fueron excelentes,
obteniendo los primeros lugares en ambas categorías, habiendo ganado una gran ventaja por
sobre los demás equipos. En la siguiente tabla se puede apreciar la puntuación generada en dicho
evento, obteniendo en ambas categorías, los 15 puntos máximos otorgados.
Domingo 19 Speed-Endurance Event. Para el tercer día se programó el endurance, la cual
es una prueba que consiste en poner a prueba la resistencia del vehículo y del piloto, durante dos
horas y media, tiempo en el cual, cada equipo de completar el mayor numero de vueltas al
circuito establecido por los jueces. Para dicha competencia, estuvo permitido relevar a los pilotos
y cada equipo se hizo cargo de su vehículo, en caso de requerir un servicio rápido, administrando
cada uno su propio tiempo.
Aunque en las pruebas de aceleración, el Zorro demostró ser el mejor competidor, en el
endurance, no resultó ser el mismo caso. Al tratarse de una prueba que demandaba un óptimo
rendimiento de manera constante, los biciclos, tomaron ventaja, ya que al girar en las curvas, no
desaceleraban mucho, permitiéndoles volver a recuperar su velocidad máxima en poco tiempo. A
diferencia de esto, el Zorro sí se vio forzado a disminuir su velocidad, de una manera más
drástica, teniendo que volver a recuperarla en un mayor tiempo, lo cual requería de mayor
energía del piloto. Aunado a esto, se presentaron problemas técnicos durante la carrera, debido
una deflexión que sufrieron los ejes de las ruedas delanteras, debido a la incorrecta distribución
de esfuerzos sobre el mismo y por la calidad del acero utilizado, siendo este un acero tratado
4140. Sin embargo a pesar de todo, se logró concluir la carrera con un tercer lugar y como se
demuestra en esta otra tabla, la puntuación alcanzada en este caso fue de 18.0 puntos.
Para finalizar el HPVCL 2010, ese mismo día, se realizó la premiación global del evento. La
sección ASME-UMICH, en representación de la Universidad Michoacana de San Nicolás de
Hidalgo, recibió un reconocimiento por cada evento, correspondiente al lugar obtenido, siendo
entonces uno por el segundo lugar en el Design Event, los dos primeros lugares en Drag-Race
Event, correspondientes a las categorías femeina y masculina y finalmente por el tercer lugar en
Speed-Endurance Event. Por consiguiente, se puede apreciar en la tabla inferior, que se alcanzó
una puntuación total de 80.0 puntos, solo dos puntos por debajo de la Universidad de Oriente,
con lo que se nos fue otorgado el Segundo Lugar Global en el HPVCL 2010.
En esta tabla se puede leer, que la Universidad de Oriente, obtuvo el primer lugar, con su
vehículo Espartano, la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, obtuvo el segundo
lugar, seguida por la Universidad del Zulia, con su vehículo Indio Mara II, y finalmente la
Universidad del Zulia, LUZ COL, con su HPV, San Benito. Se puede observar al final del
ranking, al equipo del Instituto Politécnico Nacional, Aguilas Blancas, quienes quedaron en
último lugar, porque a pesar de que se inscribieron, no les fue posible realizar el viaje.
Además de los reconocimientos antes mencionados, se nos fue otorgado uno más, que reconoce
la innovación y diseño, logrados en el Zorro. Este premio único, entregando solo uno por cada
edición del Human Powered Vehicle Callenge de la ASME. Con todo esto, se puede decir, que si
bien no se logró el objetivo planteado, ganar, si se realizó un muy buen papel en la competencia
y se obtuvieron seis reconocimientos con que demostrarlo.
A manera de agradecimiento, queremos mencionar a las personas que nos apoyaron de cerca en este proyecto: Al M.I. Miguel Ángel Vega González y al Ing. Salvador Naranjo, directivos de la facultad de Ingeniería Mecánica, quienes tuvieron a bien, concedernos las facilidades posibles para proceder desde un inicio y hasta el final. Se les agradece su incondicional apoyo y confianza en nosotros
L.A.E. Alma Yunuén Arreola Talavera por su aportación en el reporte de diseño, su apoyo en la logística y respaldo durante todo el proceso de esta competencia. Jesús Ismael Hinojoza Ramírez, por su apoyo y asesoría durante la manufactura de los elementos del vehículo en el taller metal-mecánica de la Facultad, parte fundamental de este proyecto. M.C. Salvador Cárdenas A. del Instituto de Investigaciones Metalúrgicas, por su tiempo, paciencia, dedicación y asesoría para el ensamble por soldadura del chasis de aluminio. Ricardo Enrique Escobar Zepeda, por compartirnos sus conocimientos sobre el manejo de la fibra de vidrio y asesorarnos en todo momento. Adán Israel León Huéramo, alumno de la Facultad de Ingeniería Mecánica, por el diseño de los tres uniformes usados durante la competencia y el decorado final del vehículo. A nuestros compañeros de ASME Umich que no pudieron asistir a la competencia pero con su apoyo en lo local fue mucho más fácil la elaboración del proyecto Por supuesto también cabe agradecer a los patrocinadores del equipo:
La Facultad de Ingeniería Mecánica de la UMSNH, que a través del H. Consejo Técnico, fue aprobado un fuerte apoyo económico, con lo que comenzó todo. A la Rectoría de la UMSNH. El Consejo Estatal de Ciencia y Tecnología (COECYT), por su también importante apoyo económico. A Bici Sport por ofrecernos atención personalizada y patrocinio en piezas de bicicleta, así como su accesibilidad en piezas sobre pedido. A nuestras familias y profesores que de igual manera nos apoyaron. Gracias a todos.
Danerick Lemus Vargas
Rogelio Aguilar Torres