sistema de suspensión para el tren delantero de una

Sistema de Suspensión Para el Tren

Delantero de una Bicicleta de Carga

Proyecto de Grado

Departamento de Ingeniería Mecánica

Facultad de Ingeniería

Universidad de los Andes

Esteban Garcia Leaño

201326495

Proyecto de Grado – Suspensión para bicicleta de carga

2


3

Agradecimientos

El culminar este proyecto de grado da cuenta de un apoyo incondicional de mi familia

y seres queridos desde inicios de mi carrera. Agradezco a mis padres, no solo por ser

patrocinadores sino también, por el apoyo que me han brindado en momentos difíciles. Es

gracias a su comprensión, cariño y animo que hoy logro cerrar este importante capítulo de

mi vida.

Agradezco a mi asesor, Alejandro Marañón, por su guía a través de este proyecto,

permitiéndome crecer como futuro ingeniero y dando lugar al desarrollo de mis habilidades

comunicativas en el ámbito ingenieril colombiano.

Así mismo, quisiera agradecer al personal de BOGBI, a Eduardo, a Johannes y a

David, quienes siempre, en pro de llevar a cabo el proyecto, se preocuparon por brindarme

todo lo necesario a su alcance.

Finalmente, agradezco al personal de laboratorios de la universidad por su buena

disposición y colaboración al momento de necesitarles.


4

Contenido

1. Introducción ................................................................................................................... 6

1.1. Contexto global .......................................................................................................... 6

1.2. Planteamiento del problema ..................................................................................... 7

2. Marco teórico ................................................................................................................. 8

3. Objetivos ........................................................................................................................ 9

3.1. Objetivo general ......................................................................................................... 9

3.2. Objetivos específicos ................................................................................................ 10

4. Diseño ........................................................................................................................... 10

4.1. Descubrir .................................................................................................................. 11

4.1.1. Encargo de diseño ................................................................................................ 11

4.2. Entrevistas al usuario .............................................................................................. 11

4.3. Exploración y recopilación de tecnología actual ................................................... 13

4.4. Selección de tecnologías a desarrollar ................................................................... 14

4.5. Diseños preliminares y Diseño final CAD ............................................................. 15

4.6. Explosión del sistema............................................................................................... 18

5. Simulaciones ................................................................................................................ 19

5.1. Comportamiento cinemático .................................................................................. 19

5.2. Comportamiento Dinámico .................................................................................... 20

6. Manufactura ................................................................................................................ 25

6.1. Procesos de manufactura ........................................................................................ 25

6.1.1. Soldadura – Tenedor ........................................................................................... 25

6.1.2. CNC – Elementos de sujeción y 4 barras ........................................................... 27

6.2. Acabados................................................................................................................... 29

6.3. Ensamble .................................................................................................................. 29

7. Pruebas ......................................................................................................................... 30

7.1. Pruebas sin conductor ............................................................................................. 34

7.2. Pruebas con conductor ............................................................................................ 35

8. Análisis ......................................................................................................................... 36

9. Presentación del producto a BOGBI ......................................................................... 39

10. Costos ........................................................................................................................ 41

11. Conclusión ................................................................................................................ 42

12. Trabajo futuro ......................................................................................................... 42


5

13. Referencias ............................................................................................................... 44

14. Anexos ....................................................................................................................... 45

Propiedades de materiales ................................................................................................. 45

Planos ................................................................................................................................... 46

Facturas ............................................................................................................................... 51

Bosquejos ............................................................................................................................. 52


6

1. Introducción

1.1. Contexto global

Hoy en día, en el mundo se movilizan millones de toneladas con diversos fines,

de temas industriales sumamente complejos a temas tan elementales como lo son las

compras básicas de un hogar promedio para su diario vivir e incluso el transporte de

las personas. Gracias a lo anterior nace la necesidad de poder llevar a cabo el traslado

de objetos físicos y personas de la forma más simple posible.

Luego de que una necesidad surge, no una ni unas cuantas sino miles de

soluciones diferentes surgen para suplir dicha necesidad. En el caso del transporte

de objetos y personas, la rueda ha prestado sus servicios a la humanidad civilizada

casi desde sus inicios hasta el día de hoy. Si bien los vehículos de combustión interna

e incluso los eléctricos suplen dicha necesidad, estos presentan una serie de fuertes

compromisos empezando por el conocido daño ambiental. A raíz de esto, se ha

interesado nuevamente en la bicicleta, pues esta es una solución no solo a la

movilidad, sino a su vez al transporte de objetos y personas, lo que en este caso da

lugar a las bicicletas de carga. Sin embargo, en la mayoría de los modelos existentes,

el confort y un manejo placentero son, aun, retos por alcanzar.

Actualmente en Colombia reside la empresa BOGBI, que afronta la necesidad

de transporte junto con la capacidad de carga, con la manufactura de una bicicleta de

carga capaz de llevar niños. BOGBI nace gracias a la inquietud de dos padres,

también fundadores de la marca, uno noruego y otro colombiano, sobre cómo

solucionar la movilidad propia y de sus hijos. Así entonces, también se plantea un

proyecto en el cual se contempla ayudar a personas y en especial jóvenes afectados

por el conflicto armado en Colombia. BOGBI cuenta con la participación de personal

colombiano que lleva décadas en la manufactura de bicicletas en Bogotá y con

personal capacitado de noruega. Con ello se buscó llegar a ser reconocidos como una

sinergia que propone un producto diseñado y manufacturado artesanalmente en

Colombia además como una empresa que apoya el desarrollo social de una nación

en posconflicto.

Finalmente, BOGBI ha llegado a un primer modelo ilustrado en la figura 1, sin

embargo, este cuenta con bastantes metas por alcanzar. Entre ellas se encuentra la

inclusión de suspensión en el tren delantero. Con ello se pretende hacer del andar de

la bicicleta una actividad más confortable tanto para el que la conduce como para la

carga y/o la comodidad de los niños pasajeros.

BOGBI plantea la venta de su bicicleta a nivel mundial pero específicamente en

Europa, empezando por noruega. En Europa cuenta con bastantes calles adoquinadas

y pequeños resaltos los cuales implican una gran vibración para las bicicletas, lo que

da lugar a la posibilidad de implementar un sistema de amortiguamiento.


7

Figura 1. Bicicleta actual con tenedor rígido. (BOGBICI, 2018)

1.2. Planteamiento del problema

Dado el contexto global de la propuesta que la empresa BOGBI propone a la

movilidad, este proyecto busca generar una solución ingenieril ofreciendo un sistema

de amortiguamiento para la bicicleta de carga que fabrica sin comprometer el

rendimiento actual de la misma.

Actualmente, la bicicleta cuenta con un tenedor de tubería de gran diámetro y

robusto que transmite una cantidad de vibraciones considerable al conductor, su

carga y/o pasajeros al momento de transitar por terrenos rizados, baches, reductores

de velocidad, descenso de pequeños andenes; estos por mencionar algunos de los

obstáculos que afronta una bicicleta diseñada para andar en zonas urbanas. Sin

embargo, el tenedor actual ilustrado en la figura 2, tiene un comportamiento positivo

en términos de maniobrabilidad junto con una rigidez que transmite cierta sensación

de confidencialidad, además de ocupar un espacio reducido el cual se acopla de

manera exitosa con el sistema patentado de dirección guiado por guayas.


8

Figura 2. Fotografías del tenedor actual.

Así, se afrontan una serie de restricciones las cuales deben ser tomadas en cuenta

para el proceso de propuesta de diseño y manufactura del sistema de suspensión.

2. Marco teórico

El fenómeno físico de interés para afrontar este reto recae en oscilaciones armónicas

amortiguadas, las que se presentan en forma sinusoidal. Aquí se pretende reducir la amplitud

de la función y el tiempo en el cual una masa deja de oscilar partiendo de una condición

inicial inestable a una estable. En el contexto de una bicicleta tradicional se quiere que la

bicicleta permanezca lo más estable posible a pesar del terreno por el cual transite para

proporcionar mayor control y comodidad. A continuación, en la figura 3 se muestran los tres

tipos típicos de amortiguamiento. Para efectos de este proyecto nos centraremos en el caso

de sistemas subamortiguados. (J. L. Meriam) (Budynas & Nisbett, 2012)

Figura 3. Casos típicos de sistemas amortiguados. (Universidad de Sevilla, 2018)


9

Para analizar la problemática física de este problema en particular se emplearon

ecuaciones de cinemática clásica como velocidad final de un cuerpo en caída libre,

velocidad media de frenado, tiempo de amortiguamiento de impacto, aceleración media

y finalmente fuerza de impacto de la segunda ley de Newton. A continuación, se enlistan

dichas ecuaciones respectivamente. (J. L. Meriam)

𝑉𝑓 = √(2𝑔ℎ) (1)

𝑉𝑚𝑓 =𝑉1 + 𝑉𝑓

2 (2)

𝑡𝑓 =𝑒

𝑉𝑚𝑓 (3)

𝑎𝑚𝑓 =𝑉1 − 𝑉𝑓

𝑡𝑓 (4)

𝐹𝑖𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑜 = 𝑚𝑎𝑚𝑓 (5)

Donde:

𝑎𝑚𝑓 = 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜

𝑒 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑙 𝑖𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑜

𝐹𝑖𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑜 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑜

𝑔 = 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎

ℎ = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜

𝑚 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜

𝑡𝑓 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜

𝑉1 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑖𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑜

𝑉𝑓 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑖𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑜

𝑉𝑚𝑓 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜

El cálculo de esfuerzos y condiciones de seguridad para los elementos físicos del

sistema amortiguado, presentados en la sección de simulación, se realizaron en Autodesk

Inventor por medio de Análisis de Elementos Finitos para la carga critica a la cual se

someterá el sistema amortiguado de la bicicleta.

3. Objetivos

3.1. Objetivo general

Afrontar y proponer una solución a una problemática presente en la cotidianidad

de la empresa BOGBI para el mejoramiento de su bicicleta de carga empleando el

conocimiento adquirido a lo largo del programa de pregrado de ingeniería mecánica

de la Universidad de los Andes.


10

3.2. Objetivos específicos

• Analizar las falencias en el sistema actual del tenedor de una bicicleta de carga

con la capacidad de transportar objetos y/o niños y validar dichas falencias con

una muestra poblacional.

• Cursar por una estrategia iterativa de diseño para proponer una solución por

medio de un sistema de suspensión delantera.

• Implementar la información antes recolectada junto con la propuesta de diseño

final, simular, reajustar el modelo y fabricar el primer prototipo.

• Validar, basado en experimentación, la funcionalidad del prototipo construido y

comparar contra datos registrados del tenedor original.

4. Diseño

El proceso de diseño se realizó siguiendo algunas pautas del libro “Herramientas para

el diseño centrado en el usuario”, el cual propone un esquema basado en diseño de

productos según las necesidades del cliente o usuario en dos fases, entender el problema

y plantear una propuesta que a su vez se divide en cuatro etapas: descubrir, interpretar,

delimitar y proponer. Sin embargo, solo se utilizó su fase de descubrir dado el contexto

en el que se desarrolló este proyecto así lo permitía. A continuación, se muestra la

herramienta gráfica completa.

Figura 4. Planeación de diseño basado en el usuario. (Agudelo Alvarez & Lleras Echeverri, 2015, p. 11)


11

Luego de repasar el modelo propuesto, se suprimieron algunos pasos que eran de poco

interés para BOGBI y que no interrumpían con el proceso de diseño.

4.1. Descubrir

4.1.1. Encargo de diseño

El encargo de diseño se realizó bajo el siguiente formato.

Tabla 1

Formato de encargo de diseño

Encargo Usuario/Contexto Beneficio

• Realizar una suspensión

para el tren delantero de

una bicicleta de carga

Bogbi.

• Reducir las vibraciones en

la canasta de carga y

timón.

• ¿Como hacer del manejo

de la bici una experiencia

confortable?

• Citadinos de países nórdicos con

intención de transportar máximo

2 niños entre 3 a 7 años como

también transportar numerosos

objetos con un límite de 70 kg.

• El clima juega un gran papel,

pues humedad, salinidad y

exposición constate al medio

ambiente determinan un fuerte

requerimiento de calidad.

• Generar valor agregado a la bicicleta

actual.

• Tener un diferenciador en el mercado.

• Reducir las vibraciones de los

pasajeros niños como también las de

los objetos a transportar.

• Generar oportunidad de empleo a

ciudadanos colombianos.

Determinantes/Limitantes/Fortalezas Entorno

• Debe ser manufacturado en Colombia de forma artesanal.

• No debe superar un monto de entre 300 a 400 euros.

• No debe incurrir en patentes existentes.

• Actualmente, en Europa, existen

diversas marcas de bicicletas de

carga.

• Muy pocas proponen un sistema de

amortiguamiento.

• El valor agregado de la producción

artesanal y con razón social es de

gran interés por los clientes.

Procesos Resumen

• Manufacturación local y de fácil acceso.

• Implementación de accesorios o sistemas comerciales.

• El tiempo ha de ser el mismo que el que tome el tiempo del

semestre estudiantil.

• Se busca solucionar la problemática

de la vibración en el tren delantero de

la bicicleta de carga mediante un

amortiguador delantero para que la

experiencia de manejo sea más

placentera junto con la mejora en

termino de comodidad para los

posibles niños a transportar.

Nota: tomada de (Agudelo Alvarez & Lleras Echeverri, 2015, pp. 22 - 23)

4.2. Entrevistas al usuario

A partir del encargo de diseño se realizó una entrevista a cada uno de los

integrantes fundamentales de BOGBI. Eduardo Moreno como responsable

económico, David Duarte como encargado de la parte ingenieril y manufactura y

Johannes Hegdahl como encargado de diseño y manufactura.


12

A cada uno se le entrevisto con unas preguntas genéricas seguidas de una o varias

preguntas puntuales de su área. Estas entrevistas a su vez se emplearon como muestra

poblacional.

Entrevista a Eduardo – responsable económico

• ¿Que se espera del proyecto?

Se tiene una percepción de simbiosis con la universidad en donde, Bogbi,

permite a estudiantes que se encuentran en cursos como proyecto intermedio,

conozcan y se acerquen a una problemática real de ingeniería en Colombia sin

esperar nada a cambio y con un propósito meramente didáctico. Sin embargo, en el

caso de estudiantes en proyecto de grado, se espera poder recibir un beneficio en su

producto. En este caso se espera poder implementar un sistema de suspensión en la

bicicleta.

• ¿Qué sensación se tiene de la bicicleta actual?

Estabilidad a pesar del peso. Bastante rigidez en el tren delantero al momento

de encontrar un obstáculo en la vía. Genera bastantes vibraciones a los ocupantes

niños entre 3 y 7 años.

• ¿Qué opinión tiene de la estética?

La bici en general parece armoniosa. A lo largo del desarrollo de la bici se han

creado varios ejemplares de tenedor delantero, sin embargo, el tenedor previo al

actual parecía más bonito.

• Pregunta especifica - ¿Con qué presupuesto se podría contar?

Se espera que el producto final oscile entre 100 a 300 euros.

Entrevista a David - encargado ingenieril y manufactura

• ¿Qué se espera del proyecto?

Se espera poder llegar a un prototipo enfocado en mejorar la experiencia de

manejo de la bicicleta; más exactamente incrementar la comodidad reduciendo

rigidez sin comprometer el rendimiento actual alcanzado. Sin embargo, se pretende

ofrecer al mercado las opciones con y sin suspensión.


Es una bici que presenta una gran estabilidad hasta los 50 kg. Con cargas por

encima de ese valor, se vuelve difícil de maniobrar, en especial el sistema de

dirección se ve afectado debido a la tensión a la que se someten las guayas del

sistema. A su vez, el bajo centro de gravedad es un aspecto de gran agrado a la hora

de conducirla.

• ¿Qué opinión tiene de la estética?

Le gustaría seguir con la línea que tiene la construcción actual de la bici

"orgánica" o con estilos curvilíneos. Sin embargo, no tiene problema con cambiar

el estilo de alguna manera e incluso llegar a un estilo que sea completamente

diferente al de la bicicleta y de alguna manera generar identidad.


13

• ¿Qué precio cree que podría costar?

Para la opción de la bicicleta con amortiguador delantero se podría esperar

que cueste alrededor de 300 a 400 euros sobre el precio base.

• Pregunta específica - ¿Qué materiales podrían ser utilizados?

Acero inoxidable, aluminio o fibra de carbono. Sin embargo, al ser un

prototipo, seri posible utilizar materiales comunes afines a los ya mencionados para

reducir costos y enfocar el proyecto en el funcionamiento del sistema.

• Pregunta específica - ¿Qué recorrido de suspensión creer que es ideal?

Entre un rango de 2 a 5 cm.

• Pregunta específica - ¿Qué estilos de suspensión sería el ideal?

Abierto a posibilidades como:

Mono brazo

Mecanismo cuatro barras

Resorte

Suspensión de aire

Horquilla convencional

Adicional, debe ser capaz de admitir corazas hasta de 3 pulgadas de ancho.

Entrevista con Johannes - Encargado del diseño y manufactura

• ¿Qué se espera del proyecto?

Llegar a un prototipo completamente funcional. Se trata de un amortiguador,

así que prima su correcto funcionamiento. Se quisiera que la geometría actual como

el ángulo del "Head Tube" (70°) no se vea muy alterado, pues luego de numerosas

pruebas, se llegó a un punto de equilibrio. Finalmente se debe poder hacer en

Colombia de forma artesanal.


Una bicicleta realmente estable pero rígida. De acuerdo con muchos

comentarios antes mencionados por Eduardo y David. La experiencia en cuanto a

diferentes llantas es que, entre más delgadas, la bicicleta es mucho más fácil girar,

requiere menos esfuerzo.

• ¿Qué opina de la estética?

El marco le parece muy bonito, sin embargo, no le agrada el tenedor, pues es

muy agresivo con respecto a la línea que sigue el resto de la bicicleta. Resulta muy

cuadrado, con muchas “esquinas agresivas”.

• Pregunta especifica - ¿Qué tipo de suspensión le gustaría?

A pesar de querer algo menos discorde con el resto de la bici, estaría bien

cualquier tipo de suspensión, pues recalca el hecho de que el objetivo es el buen

funcionamiento de esta.

4.3. Exploración y recopilación de tecnología actual

A partir de las entrevistas realizadas en la sección anterior, se realizó una

búsqueda de lo existente en el mercado. Allí se interesó en gran medida en el tipo de

suspensión, sus ventajas y desventajas, sus costos, su utilización típica y el tipo de

resorte y amortiguamiento empleado.


14

Tabla 2

Recolección de información de tecnología actual

Tipo Ventaja Desventaja Costo

(usd)

Utilización Amortiguamiento

Horquilla

simple resorte

Muy comercial

bastante

recorrido

Necesidad de

mantenimiento y

son bastante

pesadas

$100 a

$200

Bicicletas

tradicionales de

bajo costo

Generalmente por

medio de pistones

desplazándose en

aceite.

Horquilla

simple de

aire

Muy comercial

y permite

numerosos

ajustes,

bastante

recorrido

Requiere de

mantenimiento

periódico

$700 a

$1500

Bicicletas

tradicionales de

mayor costo,

generalmente

en mtb

Gracias a valvular

de paso de aire, se

genera el

amortiguamiento

Suspensión

tipo Vincent

Sistema simple

sin alterar en

mayor medida

la geometría

Pesado poco

recorrido,

aparatoso

$150 a

$200

No es muy

utilizado hoy

día

Se utiliza un

amortiguador dentro

de una espiral

restringiendo el

movimiento del

sistema

Suspensión de

Muelle

Poco o mínimo

mantenimiento,

mecanismo

simple,

sensación lineal

Prácticamente

sin ajustes,

requiere de un

poco más de

espacio

$500 a

$900

No es muy

utilizado en la

industria

ciclística

No presenta un

sistema de

amortiguamiento,

con solo la hoja de

ballesta se reducen

vibraciones

Amortiguador

de aire en

lugar de radios

No alteran la

geometría del

marco, da gran

confort

Tecnología

patentada, muy

reciente

NA Bicicleta Amortiguadores de

aire

Leading link Poco

mantenimiento

Alto costo de

mecanizado

NA No es muy

utilizada en

bicicletas

Actuador externo de

aire o de aceite

Amortiguador

en el Head

Tube

Mecanismo

compacto

Difícil

ensamblaje

NA Bicicleta Actuador externo de

aire o de aceite

4.4. Selección de tecnologías a desarrollar

Una vez consultada la tecnología existente, se realizó una reunión con BOGBI en

donde se planteó la mejor solución según la integración de requerimiento por parte de

David y Johannes. Así se llegó a la primera idea de lo que sería el prototipo de

suspensión, siendo este un sistema 4 barras utilizando una hoja de resorte como

elemento de resorte sin amortiguamiento.

Este diseño se basó en una combinación del sistema de suspensión Lauf y

Vincent, tomando una hoja de resorte acoplado a un sistema 4 barras. Esto con el fin


15

de no utilizar espacio fuera del plano lateral de la rueda, pues el sistema de dirección

suponía esta restricción debido a su acople complejo de guayas.

De las entrevistas y la tecnología revisada, se reafirmó el rango de recorrido

deseado para el uso que se le da a la bicicleta. Este rango es de 20 a 40 milímetros.

Así mismo se consideró que al tener tan poco recorrido de suspensión el ángulo del

“head tube”, ilustrado en la figura 5, no se ve afectado en gran medida con una

variación de -2 a +2 grados.

Figura 5. Angulo del Head Tube (“Head Angle”)

4.5. Diseños preliminares y Diseño final CAD

De la figura 6 presentada a continuación, se observa la evolución del CAD según

integraciones de requerimientos y ajustándose al mercado actual colombiano. En la

figura 6 (a) se propuso el primer sistema 4 barras a groso modo. Este se presentó con

el fin de dar una primera idea de la posible solución. Aquí se propuso utilizar un

muelle (leaf spring) con el fin de lograr un sistema con poco mantenimiento

inspirados del sistema propuesto y patentado por Lauf. De allí surgió el modelo de la

figura 6 (b) que proponía unas curvas orgánicas que entraban en armonía con el estilo

del resto de la bicicleta con el mismo sistema de muelle, sin embargo, a petición de

BOGBI, que debido a que aún no se tiene un sistema de doblado de tubos muy exacto,

no se podían garantizar radios de curvatura idénticos para cada tenedor, por lo cual se

llegó al tercer modelo en la figura 6 (c). Este propone un tenedor compuesto por

elementos rectos de tubería de 1 pulgada cortados con ángulos sencillos. A pesar de

cumplir con la rigidez y resistencia estructural, el modelo definitivo tuvo lugar al

integrar opiniones de David junto con Johannes para llegar a el propuesto en la figura

7. Allí se aprecia una tubería de 1.25 pulgadas en lugar de 1 pulgada cumpliendo con

requerimientos estéticos, primando el funcionamiento del sistema.


16

A pesar de considerar el sistema de muelle como elemento de amortiguamiento

ideal debido a su característica de poco mantenimiento, este fue reemplazado por un

sistema de suspensión neumático comercial para bicicleta. Lo anterior fue una medida

tomada en conjunto con BOGBI al no contar con muelles en el mercado colombiano

con las dimensiones necesarias. Sin embargo, el sistema de muelle sigue siendo una

solución muy llamativa y con grandes posibilidades en un futuro. El amortiguador

neumático hizo necesario un elemento de sujeción en la parte inferior diferente. En la

figura 7 se aprecian nuevo elemento que sujeta el amortiguar de su parte inferior.

A continuación, se presenta la evolución del CAD de la figura 6 hasta llegar al

modelo final en la figura 7.

‘

(a) (b)

(c)

Figura 6. (a) primer modelo, (b) segundo modelo y (c) tercer modelo


17

Figura 7. CAD del sistema final

Para mayor detalle de los elementos del sistema amortiguado, en anexos se

encuentran los planos de todos los elementos del sistema de suspension.

Si bien existe un requerimiento de minimizar el peso junto con un mínimo de

resistencia al medio ambiente abrasivo, al consultarlo con BOGBI, se llegó a la

conclusión de que para este primer prototipo dichos requerimientos no eran de suma

importancia, pues resulta de mucho mayor interés el correcto funcionamiento del

sistema.

Con lo anterior en mente y ajustando el producto al comercio en Colombia, se

realizó el modelo con tubería de acero SAE 1045 CR de 1¼ pulgadas de diámetro

calibre 16 y barra de perfil cuadrado de acero SAE1045 1¼ y 2 pulgadas para realizar

el tenedor en lugar de acero inoxidable. Se utilizo aluminio 7075 para el sistema de

eslabones, tornillos tipo perno M8x1.25 grado 8.8 y rodamientos rígidos de una hilera


18

de bolas SKF608 - 8x22x7mm. Así con los materiales establecidos se procedió a

realizar simulaciones.

4.6. Explosión del sistema

Figura 8. Explosión del ensamble

Tabla 3

Litado de partes del ensamble

Ítem Cantidad Nombre

1 1 Tenedor

2 1 Conector superior interno derecho

3 2 Conector inferior

4 1 Perno inferior de amortiguador

5 2 Conector guía

6 1 Conector superior externo izquierdo

7 1 Conector superior externo derecho

8 1 Perno superior de amortiguador

9 9 Rodamiento SKF608

10 1 Eje de rueda

11 9 Perno M8 x 1.25 x 30

12 1 Amortiguador neumático


19

5. Simulaciones

5.1. Comportamiento cinemático

Por medio de marcadores dentro de la simulación cinemática, como lo muestra la

figura 9, se aprecia el recorrido total del eje de la llanta.

Figura 9. Trayectoria del eje de la rueda delantera en su punto inferior y superior respectivamente

Figura 10. Trayectoria del eje de la rueda delantera en su punto inferior y superior respectivamente

En la figura 9 el trazo verde deja ver el recorrido del eje de la rueda. La figura 10

muestra un recorrido total de 30.8 mm, valor que se encuentra dentro de los

parámetros antes establecidos por BOGBI de 20 a 40 mm.

110

115

120

125

130

135

140

145

150

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4Rec

orr

ido

del

eje

de

la r

ued

a [m

m]

Tiempo [s]

Recorrido del eje de la rueda vs Tiempo

Trayectoria


20

5.2. Comportamiento Dinámico

Por medio de las ecuaciones (1) a (5), se calculó la fuerza critica teórica de

impacto para una altura de 26.3 cm.

𝑉𝑓 = √(2𝑔ℎ) = √(2 ∗ 9.81 ∗ 0.263) = 2.26 𝑚/𝑠 (1)

𝑉𝑚𝑓 =𝑉1 + 𝑉𝑓

2=

0 + 2.26

2= 1.13 𝑚/𝑠 (2)

𝑡𝑓 =𝑒

𝑉𝑚𝑓=

0.02

1.13= 0.018 𝑠 (3)

𝑎𝑚𝑓 =0 − 2.26

0.018= − 127 .5 𝑚/𝑠2 = 13 𝑔 (4)

𝐹𝑖𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑜 = 𝑚𝑎𝑚𝑓 = 146.8 ∗ | − 127.5| = 18.9𝑘𝑁 (5)

La distancia de amortiguamiento se asumió según lo estima de videos de cama

lenta como 𝑒 = 2 𝑐𝑚.

Una vez encontrada la fuerza critica de impacto, esta se dividió en 8, pues son 8

pernos los encargados de recibir y transferir esta carga. A su vez esta es la carga la

cual debe ser soportada por los rodamientos. La carga asociada al peso critico que

debe ser soportada por cada perno y rodamiento es

𝐹𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜 = 𝐹𝑖𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑜/8 = 2.4𝑘𝑁

Con esto se valida la selección de rodamientos pues estos están diseñados para una

carga de 3.45 kN en cargas dinámicas.

Así, definida la carga a la cual va a estar sometida el sistema, se cargó el sistema

linealmente de 0 kN a la fuerza de impacto ya calculada de 18.9 kN y nuevamente a

0 kN en un lapso de 0.4 segundos para el análisis de los elementos del sistema sin

contar los pernos. Luego, en un análisis semejante, pero utilizando la carga calculada

para cada perno, se calculó el esfuerzo al cual está sometido cada perno.

Una vez obtenido el movimiento deseado, se procedió a realizar simulaciones

de esfuerzo, utilizando la herramienta de Análisis de Elementos Finitos (del programa

Autodesk Inventor) para determinar si el diseño planteado cumplía con la robustez

necesaria para cumplir con un factor mínimo de seguridad de 1.5 para cada pieza.

En anexos se encuentran las especificaciones de cada material utilizado en la

simulación.

A continuación, se muestran simulaciones de esfuerzo de cada parte del sistema

bajo condiciones dinámicas críticas con conductor de 83 kg y carga de 52 kg.


21

Figura 11. Análisis de Elementos Finitos del tenedor

Figura 12. Análisis de Elementos Finitos de la base derecha del tenedor

Figura 13. Análisis de Elementos Finitos de la base izquierda del tenedor


22

Figura 14. Análisis de Elementos Finitos del conector inferior derecho

Figura 16. Análisis de Elementos Finitos del conector inferior izquierdo

Figura 17. Análisis de Elementos Finitos del conector guía derecho


23

Figura 18. Análisis de Elementos Finitos del conector guía izquierdo

Figura 19. Análisis de Elementos Finitos del conector superior externo derecho

Figura 20. Análisis de Elementos Finitos del conector superior interno derecho


24

Figura 21. Análisis de Elementos Finitos del conector superior izquierdo

Figura 22. Análisis de Elementos Finitos de los pernos utilizados

En la tabla 4 seguida a continuación se presentan los factores de seguridad de

cada elemento.

Tabla 4

Litado de factor de seguridad según elemento

Ítem Nombre Factor de seguridad

1 Tenedor 4.66

1 Base derecha del tenedor 4.5

1 Base izquierda del tenedor 7.37

2 Conector superior interno derecho 1.64

3 Conector inferior derecho 1.57

3 Conector inferior izquierdo 3.21

5 Conector guía derecho 2.04

5 Conector guía izquierdo 2.52

6 Conector superior izquierdo 5.66

7 Conector superior externo derecho 1.87

11 Perno M8 x 1.25 x 30 5.38


25

6. Manufactura

La manufactura del sistema de suspensión se realizó en las instalaciones de la

universidad. Aquí se empleó el centro de mecanizado CNC FADAL, torno, fresa y

equipos de soldadura. Para ello se recurrió al presupuesto disponible para manufactura y

también el presupuesto disponible para compra de materiales en manufactura. Lo anterior

debido a que los costos de materia prima corrieron por cuenta propia.

La materia prima para mecanizar mostrada a continuación en la figura 23, se compró

cortada en tramos convenientes para su maquinado en el taller de manufactura de la

universidad según se habló con los técnicos encargados.

Figura 23. Materia prima sin mecanizado salvo la tubería

En la figura anterior se muestra la materia prima antes del mecanizado. Allí se

encuentran el material de los eslabones junto con la tubería y barras cuadradas del

tenedor.

6.1. Procesos de manufactura

6.1.1. Soldadura – Tenedor

A continuación, se presenta el proceso de manufactura del tenedor. Este

comprende dos pasos fundamentales, la preparación y corte de tubería y

elementos de sujeción de los eslabones, como lo muestra la figura 24, y la

soldadura de estos elementos, como lo muestra la figura 25. Estos planos de

corte y soldadura se presentan en anexos.

La soldadura del tenedor se realizó con prensas, goniómetro y escuadra

como lo muestra la figura 26, pues no se disponía de una formaleta para facilitar

el proceso. Así mismo como sugerencia del técnico encargado, se instaló una

varilla roscada entre los elementos a soldar para mantener la forma lo más

cercano posible al plano.


26

Figura 24. Fresado de los tubos del tenedor con ángulos específicos

Figura 25. Proceso de soldadura del tenedor con soldadura GMAW en estación de soldadura


27

Figura 26. Tenedor completo contrastado con plano a escala 1:1

6.1.2. CNC – Elementos de sujeción y 4 barras

Los elementos maquinados en el centro de mecanizado FADAL CNC

fueron, en esencia, los eslabones debidos a sus geometrías circulares mostradas

en la figura 27 y el elemento de sujeción del amortiguador neumático del tenedor

debido a su geometría compleja como lo evidencia la figura 28.

Figura 27. Elementos del sistema 4 barras


28

Figura 28. Elemento de sujeción del amortiguador del tenedor

En la figura 29 se muestra el tenedor sin soldar, todos los elementos del sistema 4

barras de suspensión de ambos costados, derecho e izquierdo, y el amortiguador

neumático seleccionado del mercado.

Figura 29. Total de elementos antes de soldar y ensamblar


29

6.2. Acabados

Los acabados estéticos resultan ser parte fundamental del producto final, pues al

ser un accesorio llamativo por su geometría agresiva, este debe ser agradable a la vista

de las personas. Por ello se pintó de manera que los eslabones resaltaran junto con el

amortiguador neumático.

Al consultarlo con BOGBI, se decidió pintar el tenedor con pintura electroestática

color “negro micro-texturizado” y dejar los eslabones de aluminio con su color natural

para que estos resaltaran. La figura 30 muestra el tenedor pintado.

Figura 30. Tenedor pintado de “negro micro-texturizado”.

6.3. Ensamble

Para el ensamble se emplearon los pernos M8x1.25x30 a partir del cálculo de

esfuerzo cortante resultante del funcionamiento mismo de la bicicleta realizado en

Autodesk Inventor. Así junto con una rueda comercial de 24 pulgadas, se procedió a

ensamblar el mecanismo con los rodamientos seleccionados. La figura 31 muestra el

tenedor listo para ser probado.

Figura 31. Tenedor ensamblado


30

7. Pruebas

Por medio del programa LabView, una tarjeta de adquisición de datos National

Instrument NI 9233 y un acelerómetro unidimensional Brüel&Kjær 4396, se registraron

las aceleraciones a las cuales el sistema tenedor bicicleta se veía sometido, primero para

el tenedor rígido y luego para el tenedor con suspensión.

De la ecuación (4) se calculó que la aceleración máxima teórica a la cual estaría

sometido el sistema. Esta resulto ser de 13 gravedades, lo cual determino el tipo de

acelerómetro a utilizar.

Para la medición de aceleraciones experimentales se ideo un montaje el cual permite

la replicabilidad de una condición deseada. Para el caso de una bicicleta diseñada para la

ciudad, se estableció que la condición crítica al cual se verá sometida es el descenso de

un escalón de una acera. Así se recreó una situación en donde la bicicleta cae libremente

del reposo de una distancia de 26.3cm completamente vertical. Esta distancia se mantuvo

constante en todas las pruebas con una plataforma como lo muestra la figura 32.

Al contar con un acelerómetro unidimensional con una sensibilidad de ∓ 3° de

inclinación, se empleó un soporte de un simulador ciclístico ilustrado en la figura 33.

Figura 32. Plataforma de partida para la caída libre


31

Figura 33. Soporte de simular ciclístico

El acelerómetro se ubicó en la parte superior del tenedor con una base manufacturada

de aluminio y sujetada con amarres plásticos de manera que quedara firme como se

muestra en la figura 34.

Figura 34. Acelerómetro sujetado a la parte superior del tenedor con soporte metálico


32

Una vez establecida la condición de prueba y ubicado el acelerómetro, se procedió

realizar la conexión del sistema y crear la programación en LabView como se ve en la

figura 35 y luego la verificación de su correcto funcionamiento con unas pruebas como

se muestra en la figura 36.

Figura 35. Programación de alto nivel en LabView para el registro de aceleraciones

Figura 36. Verificación del correcto funcionamiento del montaje experimental

Tras verificar el correcto funcionamiento de la prueba, se realizó primero la prueba al

tenedor rígido y luego al tenedor amortiguado bajo las mismas condiciones.


33

Las condiciones de prueba se establecieron según la carga típica que podría llegar a

llevar la bicicleta. Esta carga, según BOGBI, oscila entre 0 kg y 50 kg correspondiente a

no llevar nada en la canasta y a llevar el equivalente a dos infantes de 7 años de 25 kg

cada uno aproximadamente. Así mismo se determinó que el peso promedio del usuario

conductor es de 80 kg.

Así se construyó la siguiente tabla de equivalencias a partir de las masas con las cuales

se realizó la prueba.

Tabla 5

Equivalencias de pesos

Masa de la

carga [kg]

Posible equivalencia

0 Bicicleta sin carga.

29.4 Bicicleta con un infante de cerca de 7 años y

algún tipo de carga extra.

52 Bicicleta con dos infantes de cerca de 7 años y

poca carga extra.

Para conocer la influencia del conductor, se realizaron 3 mediciones de 0 kg, 29.4

kg y 52 kg sin conductor y luego con conductor para un total de 6 mediciones de cada

tenedor. El conductor que participo en las pruebas registró un peso correspondiente a 83

kg.

También es importante resaltar que las pruebas se hicieron sin sujetar la carga, pues

en muchas ocasiones esta es la situación que se presenta en la utilización citadina de la

bicicleta. Esta condición supone un fenómeno adicional que es las vibraciones a las que

se ve sometida la carga que en algunas ocasiones acrecienta o anula las vibraciones en el

tenedor. Otro importante parámetro fue realizar la prueba con la misma presión en la

llanta delantera de cada tenedor, que en este caso fue de 33 psi. Así mismo, todas las

pruebas con el tenedor amortiguado se realizaron con una presión en el amortiguador

neumático de 85 psi.

A continuación, de la figura 37 a la 42, se refiere a FORK1 como al tenedor rígido

identificado con color azul y a FORK2 como al tenedor con suspensión identificado con

color naranja.


34

7.1. Pruebas sin conductor

Figura 37. Aceleración vertical de la bicicleta sin carga y sin conductor (Universidad de Sevilla, 2018)

Figura 38. Aceleración vertical de la bicicleta con una carga de 29.4 kg y sin conductor

-3.5

-2.5

-1.5

-0.5

0.5

1.5

2.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Ace

lera

ció

nen

g [

1g=9

.81

m/s

^2]

Tiempo [s]

ACELERACIÓN VS TIEMPO CARGA: 0 kg SIN CONDUCTOR

FORK1 FORK2

-5.5

-4.5

-3.5

-2.5

-1.5

-0.5

0.5

1.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4Ace

lera

ció

nen

g [

1g=9

.81

m/s

^2]

Tiempo [s]

ACELERACIÓN VS TIEMPO CARGA: 29.4 kg SIN CONDUCTOR

FORK1 FORK2


35

Figura 39. Aceleración vertical de la bicicleta con una carga de 52 kg y sin conductor

7.2. Pruebas con conductor

Figura 40. Aceleración vertical de la bicicleta sin carga y con conductor de 83 kg

-4.5

-3.5

-2.5

-1.5

-0.5

0.5

1.5

2.5

3.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Ace

lera

ció

n e

n g

[1g

=9.8

1 m

/s^2

]

Tiempo [s]

ACELERACIÓN VS TIEMPO CARGA: 52 kg SIN CONDUCTOR

FORK1 FORK2

-6.5

-5.5

-4.5

-3.5

-2.5

-1.5

-0.5

0.5

1.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Ace

lera

ció

nen

g [

1g=9

.81

m/s

^2]

Tiempo [s]

ACELERACIÓN VS TIEMPO CARGA: 0 kg CON CONDUCTOR DE 83 kg

FORK1 FORK2


36

Figura 41. Aceleración vertical de la bicicleta con una carga de 29.4 kg y con conductor de 83 kg

Figura 42. Aceleración vertical de la bicicleta con una carga de 52 kg y con conductor de 83 kg

8. Análisis

De la figura 37 a la 42 se presentan las aceleraciones a las cuales se vio sometida la

bicicleta con cierta carga determinada para un tenedor rígido y otro amortiguado para el

caso de llevar o no conductor.

Para cuantificar la efectividad de amortiguamiento del tenedor con suspensión, se

analizaron dos parámetros, la reducción de la amplitud de las aceleraciones y el tiempo

que toma reducir las aceleraciones a menos de 0.1 gravedades después de la caída libre

para cada tenedor.

-3.5

-2.5

-1.5

-0.5

0.5

1.5

2.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Ace

lera

ció

nen

g [

1g=9

.81

m/s

^2]

Tiempo [s]

ACELERACIÓN VS TIEMPO CARGA: 29.4 kg CON CONDUCTOR DE 83 kg

FORK1 FORK2

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Ace

lera

ció

nen

g [

1g=9

.81

m/s

^2]

Tiempo [s]

ACELERACIÓN VS TIEMPO CARGA: 52 kg CON CONDUCTOR DE 83 kg

FORK1 FORK2


37

Para el parámetro de amplitud de las aceleraciones se tomó el valor absoluto de cada

valor registrado y luego se sumó a un total. Lo anterior se ejemplifica en la siguiente

formula:

𝐴 = ∑ |𝑣𝑖|𝑛𝑖=0 (6)

𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:

𝐴 = 𝑠𝑢𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒𝑠

𝑛 = 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑑𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑣𝑖 = 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑎𝑡𝑜 𝑖

El segundo parámetro cuantifica la cantidad de tiempo reducido en porcentaje el cual

le toma a la bicicleta llegar a una aceleración de menos de 0.1 gravedades luego de partir

de la posición inicial de experimentación a una altura de 26.3 cm.

A continuación, se muestra el cálculo del parámetro de la reducción de amplitud de

aceleración y el cálculo de reducción de tiempo de oscilación.

Tabla 6

Calculo de reducción de amplitud para el tiempo de oscilación en la condición sin

conductor para diferentes cargas

Carga [kg] A -Tenedor Rígido

A - Tenedor

Amortiguado

Porcentaje de

reducción

0 419.02 201.01 52.0%

29.4 349.28 196.21 43.8%

52 312.51 180.05 42.4%

Tabla 7

Calculo de reducción de amplitud para el tiempo de oscilación en la condición con

conductor de 83 kg para diferentes cargas

Carga [kg] A -Tenedor Rígido

A - Tenedor

Amortiguado

Porcentaje de

reducción

0 166.67 115.47 30.7%

29.4 201.53 80.27 60.2%

52 164.27 160.11 9.9%

La información anterior, referente a la reducción de amplitud de aceleración, se presenta

de manera gráfica en la figura 43 seguida a continuación.


38

Figura 43. Reducción en porcentaje de las aceleraciones según carga para el caso sin y con conductor

Tabla 8

Calculo de reducción de tiempo para llegar a una aceleración de 0.1 gravedades in

conductor de 83 kg

Carga [kg] Tiempo -Tenedor

Rígido [s]

Tiempo - Tenedor

Amortiguado [s]

Porcentaje de

reducción

0 1.448 0.86 40.6%

29.4 1.048 0.713 32.0%

52 0.729 0.657 9.9%

Tabla 9

Calculo de reducción de tiempo para llegar a una aceleración de 0.1 gravedades con

conductor de 83 kg

Carga [kg] Tiempo -Tenedor

Rígido [s]

Tiempo - Tenedor

Amortiguado [s]

Porcentaje de

reducción

0 0.514 0.297 42.2%

29.4 0.676 0.36 46.7%

52 0.661 0.522 21.0%

La información anterior, referente a la reducción de tiempo hasta llegar a menos de

0.1 gravedades, se presenta de manera gráfica en figura 44 seguida a continuación.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Red

ucc

ión

de

vib

raci

on

es

Carga [kg]

Reducción de vibraciones vs Carga

Con conductor Sin conductor


39

Figura 44. Reducción en porcentaje del tiempo de oscilación hasta llegar a 0.1 gravedades para el caso

sin y con conductor

Al observar las tablas 6, 7 y la figura 43, se evidencia una gran diferencia para el caso

en el cual se cuenta con el conductor de la bicicleta. Al ver la tendencia en el caso sin

conductor vemos que a medida que se carga el sistema se reduce la diferencia de amplitud

de aceleración, sin embargo, al llegar a la carga máxima de 52 kg aún se presenta una

reducción del 42.4%.

En el caso que cuenta con el conductor de 83 kg, se presenta una significativa

reducción en la amplitud de la aceleración para 0 kg y 29.4 kg de carga. En el caso de 52

kg de carga, se tiene una disminución en la amplitud de la aceleración de solo 9.9%, lo

cual lleva a pensar que una posible reacción involuntaria por parte del conductor altera el

comportamiento del sistema de amortiguación. Esta gran diferencia también podría

atribuirse al hecho de que la carga se encuentra completamente suelta dentro de la zona

de carga de la bicicleta, dando lugar a que la masa atenúe las vibraciones generadas por

la fuerza de rebote.

Al analizar las tablas 8, 9 y la figura 44, se puede evidenciar que para la condición de

tener y no tener conductor para las tres masas probadas existe una reducción considerable

del tiempo para llegar a menos de 0.1 gravedades. Sin embargo, de esta figura se puede

evidenciar que el hecho de tener el peso adicional asociado a los 83 kg del conductor

contribuye a la reducción del tiempo de oscilación.

9. Presentación del producto a BOGBI

Una vez realizadas las pruebas el tenedor amortiguado, este se presentó a BOGBI.

David Duarte, encargado ingenieril y de manufactura dio su punto de vista del producto

como satisfecho con lo logrado. Resalto el agrado por el simple sistema junto con su

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Red

ucc

ión

de

tiem

po

de

osc

ilaci

ón

Carga [kg]

Reducción de tiempo de oscilación vs Carga

Con conductor Sin conductor


40

robustez. Así mismo, fue de sumo agrado que el recorrido del tenedor amortiguado de

30mm se encontrase dentro del rango establecido en el encargo de diseño (20 a 40mm).

También resalto que un gran punto a favor es el haber mantenido el ángulo del “head

tube”, junto con el “avance”, ambos, parámetros a los cuales llego BOGBI luego de

pruebas de fallo y error hasta llegar a un punto de equilibro benéfico para un manejo

amable de la bicicleta. David presento su agrado por las piezas de CNC junto con los

rodamientos seleccionados, pues, según él, dan rigidez y suavidad al funcionamiento del

sistema.

Al mismo tiempo, David presento buenos aspectos a mejorar. Uno muy importante

fue el correcto alineamiento de las piezas soldadas del tenedor y el tenedor mismo, pues

resulta de suma importancia para el correcto funcionamiento de la suspensión. Reducir

el peso del sistema, a pesar de que se esperaba mayor al tenedor anterior, resulto ser

mucho mayor del esperado.

Para un siguiente prototipo, BOGBI resalta cambiar un poco la geometría de tenedor,

pues se acerca demasiado al marco de la canasta como dejar ver la figura 45.

Finalmente, BOGBI percibe el prototipo como un excelente punto de partida del cual

puede surgir una característica diferenciadora entre el mercado de las bicicletas de carga.

A continuación, en la figura 45, se presenta la bicicleta de carga ensamblada con el

tenedor amortiguado.

Figura 45. Presentación del producto final a BOGBI


41

10. Costos

En la tabla 10 se presenta los costos del proyecto. En anexos se encuentran la

facturación de los elementos comprados.

Tabla 10

Costos asociados al sistema

Materia prima

Descripción Costo

Tubo 1045 CR 1 1/4" C 16 $ 17,500

Barra perfil cuadrado 1045 de 2" $ 15,000

Barra perfil cuadrado 1045 de 1 1/4" $ 14,000

Duraluminio (PRODAX) - Aluminio 7075 $ 99,780

Barra solida 3/8 1045 $ 8,449

Total $ 154,729

Manufactura y maquinado

Descripción Costo

Fresa $ 112,500

Soldadura $ 73,500

Torno $ 50,000

CNC FADAL $ 680,000

Pintura $ 10,000

Total $ 926,000

Elementos comerciales

Descripción Costo

Perno M8x1.25x30 $ 13,500

Rodamiento 8x22x7 $ 18,000

Amortiguador Neumático $ 240,000

Total $ 271,500

Costo pruebas

Descripción Costo

Tiempo técnico $ 100,000

Total $ 100,000

COSTO TOAL DEL PROYECTO $ 1,452,229

Si bien el costo total del proyecto es de $ 1 452 229 COP, producir el tenedor costó

$ 1 352 229 COP, lo cual está cerca de $ 270 000 COP por encima del precio que podría

asumir BOGBI en caso de producirlo con sus bicicletas. Teniendo en cuenta que al

producir el tenedor amortiguado en serie disminuiría los costos y que se desea reemplazar

el amortiguador de aire por un muelle como elemento de amortiguación, el costo final de

producción se acomodaría fácilmente al requerimiento de precio presentado por BOGBI.


42

11. Conclusión

Con este proyecto de grado se afrontó de manera ingenieril una problemática asociada

a la vida cotidiana, que en este caso fue las vibraciones presentes en la canasta de una

bicicleta de carga hecha por la empresa BOGBIG, haciendo uso de los conocimientos

adquiridos a lo largo del pregrado de ingeniería mecánica.

Se identificó y analizaron las falencias del tren delantero de la bicicleta de carga a las

cuales se podrían atribuir las vibraciones de la canasta. Lo anterior se validó mediante

encuestas poblacionales a quienes conocían de la bicicleta y efectivamente presentaban

quejas debido a la vibración transmitida a la carga y/o niños pasajeros.

A medida que se enfrentó esta problemática, se diseñaron posibles prototipos de un

tenedor amortiguado que dieron paso, luego de realizar numerosas integraciones de

requerimiento funcionales y estéticos, a una solución final aprobada por BOGBI.

Se logró simular y reajustar de forma exitosa, basados en cálculos teóricos de la fuerza

de impacto que podría recibir una bicicleta destinada para transitar en una ciudad, el

modelo final del tenedor amortiguado.

Posterior al diseño del tenedor amortiguado se manufacturo de manera exitosa el

sistema amortiguado para su posterior ensamble con elementos comerciales como lo

fueron los pernos, rodamientos y amortiguador neumático.

Se desarrolló de forma exitosa un plan de experimentación para validar la mejora que

el tenedor amortiguado presenta sobre el tenedor tradicional. Esto se traduce en lograr

reducir las aceleraciones que sufre la carga y el conductor entre el 30.7% para un caso de

solo conductor, 60.2% para un caso de conductor con una carga cercana al 30 kg y 10%

para un caso de conductor con una carga de cerca de 50 kg. También, se redujo el tiempo

en el cual el sistema retorna un estado estable, es decir, el tiempo en el que el sistema

deja de vibrar en un 42.2% sin carga para el caso con conductor, 46.7% para el caso con

conductor y carga de 30 kg y 21.0% para el caso de conductor y 50 kg de carga.

Finalmente, tras culminar con el proyecto de grado, se puede concluir que se logró

alcanzar satisfactoriamente los objetivos planteados al comienzo del proyecto,

terminando con un producto el cual fue diseñado y construido teniendo encuentra el

contexto comercial de Colombia.

12. Trabajo futuro

En el transcurso de este proyecto surgieron numerosas posibilidades de estudio

adicional para así mejorar de forma considerable es sistema de suspensión al que se llegó.

Lo anterior da lugar a una lista de trabajo futuro del sistema en general.

A continuación, se presentan temas los cuales son de sumo interés para el progreso y

mejora de este primer prototipo.


43

• Reducción de peso:

El tenedor amortiguado de este proyecto se enfocó meramente en el correcto

funcionamiento cinemático. Sin embargo, en este punto no era de vital importancia el

peso del sistema completo. A futuro se espera poder reelegir materiales de menor peso

que mantengas las propiedades físicas de los escogidos para así efectuar nuevas

simulaciones, que sigan entregando el mismo desempeño estructural, pero con menor

peso.

• Influencia sobre las vibraciones del conductor de la bicicleta:

A pesar de que el conductor involucrado en las pruebas mantuvo una posición

constante, es inevitable algunos movimientos de las articulaciones. Esto hace que de

alguna manera el fenómeno armónico de vibración se vea afectado. Es de sumo

interés analizar, por ejemplo, con un sistema de cámaras de alta velocidad, como los

movimientos del conductor afectan o no las vibraciones y así identificar, según una

muestra poblacional de cómo se comportan los conductores, la mejor configuración

del sistema amortiguado.

• Sistema de suspensión por medio de muelle como elemento de amortiguamiento:

El diseño original del tenedor amortiguado se propuso con un sistema de muelle en

lugar del actuador neumático con el fin de reducir el mantenimiento y generar un

sentido de identidad. El diseño de muelles o hojas de resorte en diferentes materiales

resulta de sumo interés para lograr dos objetivos fundamentales que son, primero

reducir el mantenimiento a casi nada y segundo reducir peso del sistema. A estas hojas

de resorte o muelles, se deberían realizar pruebas de esfuerzo deformación y fatiga,

lo cual implica un montaje experimental adecuado.

• Análisis de funcionamiento amortiguado:

Una vez establecido el elemento de amortiguamiento, analizar y optimizar el

comportamiento amortiguado basado en la teoría para así acercarse al ideal de un

sistema críticamente amortiguado. Para lograrlo, se necesitaría hacer mediciones de

frecuencia de oscilaciones y conocer las variables de rebote, constante de

amortiguamiento entre otras variables asociadas al sistema en experimentación.

• Análisis experimental estructural:

El análisis experimental del tenedor y los elementos del sistema cuatro barras

imponen un trabajo sumamente interesante, pues a pesar de contar con simulaciones

de Análisis de Elementos Finitos, la conducción real de una bicicleta involucra más

que movimientos totalmente verticales. Para esto se podrían utilizar galgas

extensiométricas en puntos críticos del tenedor y elementos para así registrar

esfuerzos generados a partir de una conducción real de la bicicleta.

• Diseño estético:


44

Si bien el énfasis de este sistema amortiguado es su correcto funcionamiento, su parte

estética es de sumo interés. Por tanto, el acondicionamiento del sistema en función

estética sin sacrificar su funcionalidad es un posible trabajo futuro. Para ello se

buscaría integrar formas geométricas nuevas que no alteren el diseño actual del

sistema.

• Análisis de la influencia de la sujeción de la carga dentro del canasto:

Si bien en este proyecto se pauto que la carga iría suelta a razón de que ese sería el

escenario más probable del uso cotidiano de una bicicleta de carga, validar las

diferencias en las vibraciones con carga sujeta al canasto y no sujeta presentaría

oportunidad para integrar un sistema de sujeción.

• Soldadura del tenedor:

Si bien se logró llegar a un primer prototipo del modelo, se presentaron

complicaciones importantes en el proceso de soldadura, pues allí se emplearon

prensas para alinear los tubos lo que da lugar a posibles desalineamientos. Para ello

el desarrollo de una formaleta la cual permita la exacta replicabilidad del proceso de

soldadura impone una importante contribución para el proceso de manufactura del

sistema.

13. Referencias

Agudelo Alvarez, N. L., & Lleras Echeverri, S. H. (2015). Para el salon:

Herramientas para el diseño centrado en el usuario. Bogota D.C.: Ediciones

Uniandes.

BOGBICI. (2018). instagram. Obtenido de https://www.instagram.com/bogbici/

Budynas, R. G., & Nisbett, J. K. (2012). Diseño en Ingenieria Mecanica de Shigley

Novena Edicion. Mc Graw Hill.

J. L. Meriam, L. G. (s.f.). Engineering Mechanics Dynamics. John Wiley & Sons,

Inc.

Universidad de Sevilla. (2018). Departamento de Fisica Aplicada III. Obtenido de

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Movimiento_oscilatorio


45

14. Anexos

Propiedades de materiales

Datos 1. Propiedades físicas de acero AISI 1045 y Aluminio 7075 respectivamente


46

Planos

Plano 1. Soldadura del tenedor

Plano 2. Base derecha del tenedor


47

Plano 3. Base izquierda del tenedor

Plano 4. Inserto de conectores superiores


48

Plano 5. Soldadura de elemento de sujeción del sistema 4 barras

Plano 6. Conector superior interior derecho


49

Plano 7. Conector superior exterior derecho

Plano 8. Conector superior izquierdo


50

Plano 9. Conector guía

Plano 10. Conector inferior


51

Facturas

Factura 1. Compra de Aluminio 7075 y barra perfil circular AISI 1045

Factura 2. Compra de tubería 1 ¼ “, barra cuadrada de 1 ¼ “ y 2”


52

Factura 3. Pintura negro micro texturizado y compra tornillos

Bosquejos

Bosquejo 1. Primeras ideas


53

Bosquejo 2. Cálculos de recorrido

Bosquejo 3. Cálculos de fuerza estática


54

Bosquejo 4. Definición de forma y mecanismo

Bosquejo 5. Idea final del sistema

sistema de suspensión para el tren delantero de una

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