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ADAPTACIÓN DE UNA MOTOCICLETA PARA LA
ACTIVIDAD AGRÍCOLA
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Autor:
Alejandro Alonso Rodríguez
Asesor:
Carlos Francisco Rodríguez
Bogotá D.C
Colombia
20 de junio 2020
Introducción
Este proyecto de grado evalúa la alternativa de utilizar la motocicleta común para realizar
actividades de la agroindustria. El documento inicia presentando un contexto sobre maquinaria
agrícola y viabilidad de la idea para definir la mejor función que podría tener la motocicleta en
este nuevo campo. Según esta función y las características de la motocicleta, surgen distintos
desafíos ingenieriles como reducir la velocidad de la motocicleta manteniendo su estabilidad y
transformar la mayor parte de su potencia disponible en torque. Se plantean los subsistemas de
transmisión de potencia, tracción y acople que conforman el prototipo de solución. El cuerpo
del informe realiza una descripción detallada de todos los cálculos de relación de reducción
necesaria y la velocidad resultante, también presenta la selección de los elementos mecánicos
que proveerán esta relación de reducción y el diseño de los distintos elementos y uniones del
prototipo. En las conclusiones presenta un diseño funcional que consta del acople de 3 cadenas
mecánicas, una caja reductora de velocidad, un nuevo eje de tracción de dos ruedas y elementos
diseñados que unen todo a la tijera de la motocicleta. Finalmente hace un recuento sobre el
trabajo que resta por hacer, el cual consiste principalmente en manufacturar, ensamblar el
prototipo y probarlo en distintos terrenos agrícolas.
Abstract
This final degree project evaluates the option of using a common motorcycle in the agricultural
industry. The document begins presenting a context about agricultural machinery and the
viability of the idea. With this, it defines the best use that can be given to the motorcycle. There
are many engineering challenges that arise according to this use and the characteristics of the
motorcycle. These are such as reducing the velocity while maintaining its stability and
transforming most of its available power into torque. The subsystems of transmission of power,
traction and coupling are defined as the project solution. In its main part the document recounts
a detailed description of all the mathematical models and analysis over the velocity’s reduction
relationship and the nominal operation velocity of the prototype. Here it also describes the
selection of the different mechanical components and standard elements which define the
prototype unions. The conclusions present a functional design which is made from three
mechanical chains, a speed reducer gearbox, a new traction shift with new wheels and designed
elements that are used to join all the model. Finally, it reports the remaining work that must be
done to accomplish the idea in a successful way. These are mainly the manufacturing,
assembling, and testing of the final design.
Índice:
Todo proceso de diseño en Ingeniería requiere de una metodología definida y consistente para
ser exitoso. Para este proyecto se utilizó la metodología de diseño propuesta en el libro
“Engineering design principles” de Ken Hurst [1]. A continuación, se presentan
cronológicamente todos los pasos que se siguieron y desarrollaron durante este proyecto
siguiendo esta metodología.
1. Identificación del problema
1.1 Recolección de Información………………………………………………………………………….
1.2 Definición de Especificaciones de Diseño del Producto (PDS)……………………….
2. Diseño Conceptual
2.1 Conceptos sobre Subsistemas……………………………………………………………………….
2.2 Alternativas de Solución……………………………………………………………………………….
2.3 Selección de Alternativa de Diseño……………………………………………………………….
3. Diseño Detallado
3.1 Restricciones Geométricas……………………………………………………………………………
3.2 Definición de Relación de Reducción…………………………………………………………….
3.3 Simulación Dinámica y Definición de la Velocidad de Avance……………………….
3.4 Solución Preliminar……………………………………………………………………………………….
3.5 Selección de la Caja Reductora…………………………………………………………………….
3.6 Selección de Cadenas de Transmisión de Potencia……………………………………….
3.7 Definición de Uniones y Tolerancias de las Piezas…………………………………………
3.8 Diseño de Brazos de Acople y Selección eje de Tracción……………………………….
3.9 Selección de Elementos de Sujeción…………………………………………………………….
4. Diseño Final
4.1 Resultados de Diseño……………………………………………………………………………………
4.2 Verificación de los Requerimientos de Diseño………………………………………………
4.3 Ficha Técnica…………………………………………………………………………………………………
5. Conclusiones del Proyecto
6. Bibliografía
7. Anexos
1. Identificación del problema
En esta primera parte del proceso de diseño se desea concretar un problema específico a
resolver con sus debidos requerimientos y restricciones. El objetivo es tomar una situación del
mundo real y detallarla hasta el punto de obtener una necesidad puntual que pueda plantearse
como problema ingenieril [1]. En nuestro caso particular tenemos como situación la adaptación
de motocicletas mediante la adición de un reductor de velocidad para ser utilizadas en
actividades agroindustriales. Sin embargo, existen una variedad de actividades agroindustriales
que podrían requerir de distintas adaptaciones, distintas motocicletas en distintas condiciones
y con distintas capacidades que requerirían diferentes cambios para ser útiles en diferentes
actividades, al igual que muchas limitantes económicas y de viabilidad. Por esto la primera parte
de la definición del problema exige una vasta recolección de información que permita conocer
más a fondo la situación externa y sus variantes, la maquinaria disponible y sus capacidades y
los requerimientos de las distintas actividades agrícolas. Esta recolección de información debe
permitir conocer el panorama de cada uno de los requerimientos de un proyecto de Ingeniería:
Costos, Disponibilidad, Operación, Desempeño, Manufactura y Cumplimiento de Normas. Una
vez obtenida esta información se deben definir las Especificaciones de Diseño del Producto (PDS,
Product Design Specifications) para de esa manera concretar el problema con sus
requerimientos y restricciones.
1.1 Recolección de Información
• Actividades Agroindustriales
Las actividades agroindustriales más conocidas y en las que se destaca este proyecto son las
relacionadas con el sector de la agricultura. Por esto se seleccionan 5 actividades para investigar
la viabilidad del proyecto en ellas. La investigación de estas se centra en la definición y objetivos
de la actividad y en la maquinaria que es usada actualmente junto con sus requisitos ingenieriles.
1. Arado: La primera actividad es el arado, esta consiste en abrir surcos en la tierra para después insertar en estos las semillas de los productos a cultivar. Aquí lo más importante son las dimensiones y forma que debe tener el surco. Por lo general este es un hueco en forma de U debido a los montones de tierra que se forman a los lados. La profundidad de estos puede llegar a ser de hasta 30 cm y su ancho puede llegar a ser hasta de 70 cm entre los picos de la tierra removida. Normalmente se han utilizado tractores pequeños para realizar esta labor, a la parte trasera de estos se conectan unos aperos rotovators con cuchillas que remueven la tierra mientras el tractor avanza. Los rotovators más pequeños cuestan alrededor de $ 1´750.000= COP y pesan 175 kg. Estos tractores no requieren velocidades altas por lo que su límite de operación puede encontrarse por debajo de los 15km/h. Utilizando como modelo de tractor pequeño se encontró el Tractor 5036C de John Deer que tiene una potencia de 35 hp a 2100 rpm [2], los precios de los tractores más pequeños de esta marca rondan los $ 70’000.000= COP. Cabe resaltar que los tractores de esta marca tienen precios un poco elevados, por lo que se puede definir a los $ 50’ 000.000= COP como el precio estándar de estos. El peso de los tractores pequeños puede encontrarse normalmente entre 700 a 1000 kg.
Ilustración 1 Tractores John Deer para arado
2. Abono:
La segunda actividad en el proceso agrícola es el abono. La finalidad de esta es esparcir abono a lo largo de todo el terreno arado ya que este es un requisito necesario para una buena germinación de los cultivos. Este proceso requiere de velocidades bajas debido a que el viento podría llevarse el abono y no todos los surcos tendrían el abono necesario para ser cultivados. Para distribuir el abono se utilizan abonadoras, estas son maquinas cónicas que mezclan el agua con los desechos en la parte superior y luego lo liberan por la parte inferior. Para poder utilizar esto también es necesario un tractor que cargue a la abonadora a lo largo de todo el campo. La abonadora puede ser sostenida completamente por el tractor sin tocar el suelo o sostenida sobre un eje de tracción y añadida al tractor solo para ser desplazada. La primera opción genera esfuerzos sobre el tractor y un requerimiento de peso mínimo para que no se vuelque el sistema hacia atrás, mientras la segundo genera una nueva fuerza de tracción y una mayor necesidad de torque por parte de la maquinaria [3]. Las abonadoras pequeñas tienen un peso alrededor de 500 kg y un precio estimado de $ 1’772.691= COP [4].
Ilustración 2 Abonadora arrastrada acoplada a tractor
Ilustración 3 Abonadora suspendida acoplada a tractor
3. Siembra:
La tercera actividad investigada es la siembra, en esta se depositan las semillas de los productos deseados esperando a que germinen. Los terrenos en los que se realizan estas actividades suelen ser muy extensos y es necesario recorrerlo todo para sembrar en todo este y maximizar la producción. Para este no se debería utilizarse ningún tipo de maquinaría ya que no se requiere de fuerza o velocidad que excedan las capacidades humanas. Sin embargo, esta requiere demasiado tiempo y demasiado esfuerzo humano. Debido a las extensiones de los terrenos resulta contraproducente realizar varios trayectos para ir por las semillas y volver al punto en el que se desea depositarlas. Es por esto por lo que los trabajadores utilizan tractores para esta función a los cuales se les añaden aperos. Los aperos son máquinas que para este caso en particular pueden almacenar y liberar semillas, el tractor arrastra este mientras este realiza la función que en otro caso estarían haciendo los trabajadores sobre esforzándose. Los tractores utilizados aquí pueden ser también tractores pequeños como los especificados en la sección del arado, mismas condiciones de peso potencia y precio. Hay 3 tipos de acoples principales de aperos a tractores:
Apero suspendido: El apero es completamente soportado por el tractor, este modo aumenta los esfuerzos sobre el soporte del motor, pero reduce los esfuerzos de tracción que un cuerpo sobre la tierra podría generar.
Apero semi suspendido: El apero es sostenido en parte por el tractor, pero también tiene uno o dos puntos de apoyo sobre la tierra. Este reduce un poco los esfuerzos que debe soportar el acople en el tractor, la desventaja es que al tener una o más ruedas en contacto sobre la tierra genera fuerzas de tracción que el tractor debe estar en capacidad de suplir.
Apero arrastrado: El apero arrastrado va acoplado al tractor por una unión que solo se encarga de jalarlo causando que todo su peso descanse sobre las ruedas y el terreno. Estos son el tipo de apero que más fuerza de tracción necesita para poder funcionar. [3]
Las velocidades de los conjuntos tractor apero son bajas ya que el viento podría llevarse las semillas y depositarlas en zonas del terreno no deseadas. Los aperos de sembrado son muy parecidos a algunas abonadoras ya que también tienen la función de almacenar y liberar. Estos pueden incluir rotovators para triturar las semillas, el precio y peso estimado para estos aperos pequeños es muy parecido al de los dos tipos de aperos descritos anteriormente.
Ilustración 4 Apero arrastrado para siembra
4. Poda:
La cuarta actividad de la cadena es una subactividad de la actividad de cultivo. La poda es
necesaria para remover cultivos ya sea de algunas secciones con cultivos dañados o de secciones
con cultivos que ya germinaron y desean removerse para ser utilizadas de forma diferente.
También es necesario remover la maleza que puede germinar junto a ellos, como por ejemplo
el césped. Para esta actividad se utilizan muchos los tractores podadores (más para corte de
césped) y las podadoras acoplables a los tractores. Las podadoras pequeñas pueden pesar cerca
de 200 kg y tener un costo como el de un rotavator.
Ilustración 5 Podadora acoplada a tractor
5. Cultivo (riego):
La última actividad por estudiar es el cultivo que tiene como objetivo cuidar a las plantas
mediante varias actividades para garantizar un buen crecimiento. Al tener tantas actividades
diferentes resulta pertinente enfocarse en una, que en el caso de este proyecto es el riego. Para
poder regar todos los cultivos se han utilizado e instalado mangueras y aspersores que mediante
sistemas de control riegan el campo en periodos deseados. Dentro de las actividades de cultivo
también es necesario eliminar la maleza de las plantas. Es por esto por lo que el riego también
consiste en esparcir pesticidas y químicos que permiten llevar a cabo esta tarea. Para esta tarea
también se utilizan unos tipos de aperos llamadas pulverizadoras que tienen un tanque para
almacenar las sustancias y mecanismos para regarlas en el campo. Las más pequeñas tienen un
precio y peso estimado correspondientemente de $ 3’172.000= COP y 200 litros de capacidad
(llenos de agua equivaldrían a un peso de 200kg, más el peso de la maquina puede estimarse en
300 kg) [4].
Ilustración 6 Pulverizadora pequeña acoplada a tractor
• Limitantes del entorno
En esta segunda parte de la recolección de información se trata de encontrar datos suficientes
para determinar la viabilidad del proyecto. Es por esto por lo que se recoge información sobre
lo que son principalmente variables económicas y de disponibilidad. Dado que el proceso de
recolección de información es continuo, aquí trata de complementarse desde otra perspectiva
la información presentada en la sección anterior.
1. Motocicletas:
La maquinaria más importante de nuestro proyecto es la que se utiliza en la alternativa a la
problemática que en este caso es la motocicleta. Aunque el proyecto está limitado a utilizar la
moto YAMAHA XTZ125 resulta pertinente investigar sobre el estado de la amplia gama de
motocicletas en el país. Para finales de 2018 según un artículo de El Tiempo había en Colombia
8.2 millones de motocicletas y se estimaba que cada 1 de 7 personas tenía una motocicleta en
el país. Entre enero y diciembre de ese año se matricularon casi 500.000 nuevas unidades
correspondiente a un incremento del 9.4% [5]. Este comportamiento no es raro y ya venía
marcando una fuerte tendencia desde el año 2010. En un artículo de abril del 2018 de La
República se encontró desde el 2008 y hasta el 2017 que la cantidad de motocicletas en
Colombia aumento de 2 a casi 8 millones, superando en el 2010 a la cantidad de automóviles. El
siguiente gráfico obtenido del articulo resume eficazmente la situación y también muestra datos
interesantes sobre las empresas y su participación en este mercado [6].
Gráfico 1 Cantidad de motocicletas en Colombia entre 2010 y 2017
Esta tendencia no disminuyó en el último año, según otro artículo del mismo periódico el
incremento de motocicletas respecto al 2019 fue de 16.6%, lo que quiere decir que la compra y
disponibilidad de motocicletas ha venido y sigue aumentando. Se puede concluir que hay
disponibilidad y medios para comprar motocicletas en Colombia.
El otro factor importante para investigar es el precio de estas motocicletas. Actualmente la
motocicleta del proyecto se encuentra valorizada en $ 7.151.000= COP. Un dato interesante de
toda maquinaria es la relación precio potencia. La siguiente grafica plasma esta relación a partir
de los datos de precio y potencia nominal de los modelos YAMAHA XTZ150 Y XTZ250 que son
los otros dos modelos todoterreno de esta marca [7].
Tabla 1 Relación potencia precio motocicletas
Modelo YAMAHA Potencia Nominal (HP)
Precio (COP) Velocidad (rpm)
XTZ125 10 7.151.000 7500
XTZ150 12.3 8.550.000 7500
XTZ250 20.4 17.100.000 8000
Gráfico 2 Relación potencia precio motocicletas
Es pertinente notar que podría linealizarse esta relación, para simplificar el caso se toma la
relación de la moto Yamaha XTZ125 para comparación $ 715.100 COP/hp.
2. Tractores Pequeños
Las capacidades de la motocicleta evaluadas a partir de la industria no parecen ser muy
parecidas a las de los aperos y por ende se descarta sustituir a estos por una motocicleta. Los
tractores en cambio con más peso y potencia operan de forma mucho más similar que la
motocicleta. La inclusión de la motocicleta como maquinaria para la agroindustria está mucho
más relacionada a las funciones de un tractor y por esto vale la pena hacer una investigación
sobre la viabilidad de su uso. De dos artículos de la república se puede evidenciar que el mercado
de tractores no tiene un auge como el de las motocicletas. El primer artículo del 2012 menciona
que el promedio de tractores integrados al año era de 1700 y que esperaba que este creciera a
5000. El segundo artículo del 2017 evidencia que esto no ha sido así, en el 2017 se importaron
1776 tractores y en el 2016, 1330. En la siguiente gráfica puede verse como se repartían en el
2017 el mercado de tractores en Colombia entre diferentes empresas [8].
7500 7500
8000
1012.3
20.4
0
5
10
15
20
25
7400
7500
7600
7700
7800
7900
8000
8100
$5,000,000 $7,000,000 $9,000,000 $11,000,000 $13,000,000 $15,000,000 $17,000,000 $19,000,000
Po
ten
cia
(Hp
)
Precio (COP)
Relación Potencia Precio Motocicletas
Velocidad (rpm) Potencia Nominal (HP) Linear (Potencia Nominal (HP))
Gráfico 3 Tractores importados en 2015 y 2016
La demanda de la motocicleta excede por mucho a la demanda de los tractores cosa que
siempre ha sido muy evidente. La diferencia para notar es en la tendencia de crecimiento que
ha tenido la cantidad de cada una de estas máquinas. Mientras la tendencia a conseguir
motocicletas es cada vez mayor, la tendencia de los tractores fluctúa y no es congruente. Para
un país tan dependiente de la agricultura como Colombia, una máquina tan útil en esta como lo
es el tractor debería ser más solicitada. Esto permite inferir que no hay un gran deseo por
incorporar tractores a la agroindustria o que estos no son tan accesibles.
El tractor es una máquina mucho más potente que la motocicleta y es por eso por lo que vale la
pena comparar su relación de precio potencia con la de la motocicleta. La relación del tractor
5036C de John Deer, con una potencia nominal de 35hp y un costo estimado de $ 50’000.000=
COP, es de $ 1’428.571 COP/Hp. El tractor farmall 55C CASE de 57,6 Hp de potencia cuesta
$ 70’ 000.000=, por lo que tiene una relación precio potencia de $ 1’215.277 COP/Hp [9]. Los
resultados aquí son concluyentes y demuestren que comprar potencia en un tractor es
significativamente más costoso que en una motocicleta.
• Condiciones y capacidades de la maquinaria disponible
La tercera parte de esta recolección de información se enfoca en el trabajo previo llevado a cabo
y en las condiciones y capacidades de la maquinaria utilizada. El proyecto de grado presentado
por Miguel Ángel Díaz Caviedes el 12 de junio de 2018 en la Universidad de los Andes es el
trabajo previo más reciente realizado para evaluar esta alternativa. En este se removió el eje
trasero de la moto para añadir un nuevo tren de tracción de dos llantas con un nuevo reductor
de velocidad, todo con el fin de adaptar la motocicleta para el arado. Debido a factores de
disponibilidad en este proyecto se trabaja con la misma motocicleta que en aquel entonces, por
lo tanto, es imperativo conocer las capacidades el diseño actual y sus deficiencias.
La motocicleta utilizada es una motocicleta Yamaha XTZ 125 que cuenta con un motor de 4
tiempos SOHC. El motor provee 10 hp de potencia operando a 7800 rpm y 10N*m de torque a
5500 rpm [10]. La motocicleta mide 1.98 m de largo, 0.745 cm de ancho y 1.08 m de alto; la
altura del piso a la cima del asiento es de 0.78 m. El vehículo pesa 118 kg con el tanque lleno.
Consta de 3 reductores de velocidad: El primero un engranaje interno del motor que
proporciona una relación de reducción de 3.4, el segundo la caja de cambios que su relación de
reducción depende del cambio engranado (se encuentran en la siguiente tabla [11]), y el tercero
es la cadena que conecta el piñón del motor con la llanta trasera con una relación de reducción
de 3.571. Estos datos fueron obtenidos entre mediciones propias, ficha técnica del fabricante y
datos registrados en el proyecto de Miguel Ángel.
Tabla 2. Reducción de la motocicleta a partir del cambio Engranado
Cambio Reducción
Primera 3.0
Segunda 1.78
Tercera 1.32
Cuarta 1.05
Quinta 0.88
La condición actual de la moto fue diseñada para operar en el primer cambio de la caja de
cambios con el motor operando a 7100 rpm y un torque de entrada de 6.63 N*m. Esto transmitía
un torque de 191 N*m a la rueda trasera para llevar la moto a 7.5 m/s, esto no era suficiente
para vencer los 3.13kN de fuerza, que según su cálculo requería esta moto para el arado. Por
esta razón se retiró la rueda trasera y se añadió un nuevo tren de tracción a través de una
extensión de la tijera que consta de una nueva reducción de cadena que conecta un eje donde
se encuentran las nuevas llantas de 38 cm de diámetro [11].
En este proyecto se concluyó que la motocicleta tiene la potencia de realizar la actividad del
arado utilizando una zanja acoplada de manera conveniente a la motocicleta. También se
determinó que económicamente la solución es más viable que utilizar un motocultor siempre y
cuando el usuario esté dispuesto a realizar el acople del nuevo tren de tracción. El torque óptimo
que utiliza la moto con esta modificación es de 564 N*m utilizando la primera relación de
reducción de la caja de cambios. De acuerdo con las pruebas realizadas el ensamble es funcional
y la cadena cinemática de transmisión de potencia también lo es.
1.2 Especificaciones de Diseño del Producto
Esta sección especifica los objetivos y requerimientos del proyecto utilizando un PDS como lo
sugiere el libro “Engineering Design Principles” de Ken Hurst.
Prólogo:
En Colombia el mercado de las motocicletas viene en constante ascenso, durante la última
década cada año aumentó el número de motocicletas registradas respecto al anterior. En la
industria agrícola la maquinaria más importante es el tractor dado que es utilizado para casi
todos los procesos que esta requiere. Este es utilizado para transportar aperos; maquinas que
realizan funciones como arado, riego y siembra; a lo largo de los campos. Aunque la
agroindustria es demasiado importante en Colombia, el mercado de los tractores no muestra
una tendencia de crecimiento. Ambas máquinas son utilizadas como fuentes de potencia
mecánica. El tractor ofrece mucha más que la motocicleta, pero lo hace a un costo muchísimo
mayor. Existe entonces la posibilidad de evaluar si se puede modificar las motocicletas para
remplazar los tractores pequeños en la función que estos últimos desempeñan en la
agroindustria. En el proyecto realizado por Miguel Ángel Caviedes en junio del 2018, se logró
modificar una motocicleta Yamaha XTZ125 para arar utilizando una zanja.
Objetivos:
Diseñar una adaptación a la motocicleta común que incluya un reductor de velocidad y nuevo
tren de tracción trasera para ser capaz de desplazar aperos de un peso entre 175 y 500 kg a lo
largo de un campo agrícola.
Diseñar una adaptación a la motocicleta común para que pueda operar a velocidades menores
de 15 km/h sin que pierda estabilidad.
Desarrollar una alternativa a los tractores pequeños en el mercado de la agroindustria que sea
más viable en términos de disponibilidad y costo.
Alcance:
Desarrollar un primer prototipo basado en la motocicleta Yamaha XTZ125 que sirva como piloto
para considerar e implementar esta alternativa en la agroindustria. El prototipo desarrollado
debe suplir los requerimientos de transmisión de potencia para poder mover un apero pequeño,
no es necesario que la modificación permita un ensamble a este.
Requerimientos:
1. Requerimientos de Manufactura
• Todas las piezas del prototipo deben ser manufacturadas a partir de procesos instalados
en la Universidad de los Andes.
• El prototipo debe ser manufacturado en materiales que puedan soportar altos impactos
y esfuerzos.
2. Requerimientos de Normativa
• No se establecen requerimientos de normativas
3. Requerimientos de Operación
• El nuevo ensamble de reductor y tren de tracción debe ser fácilmente desmontable a la
motocicleta.
• La modificación debe permitir al usuario operar la motocicleta de la misma manera que
lo haría normalmente.
4. Requerimientos de Disponibilidad y Eliminación
• El prototipo de solución debe poder utilizarse con cualquier motocicleta común.
5. Requerimientos de Funcionalidad
• La motocicleta debe incluir una reducción de velocidad de 10:1 para generar el torque
necesario requerido para desplazarla a ella y a un apero pequeño (175 a 500 kg) en un
campo agrícola.
• La motocicleta debe operar a velocidades menores de 15 km/h
• La motocicleta debe poder mantener la estabilidad lateral operando a una velocidad de
avance de 10km/h en campos agrícolas.
2. Diseño Conceptual
Después de definir los requerimientos y el enfoque del proyecto, comienza el proceso de diseño
y manufactura de una solución ingenieril que satisfaga correctamente estas necesidades. En el
diseño no existe una sola solución a los problemas, de hecho, existen infinitas soluciones
posibles y cada una de ellas puede ser mejor si se evalúa desde un requerimiento del proyecto
en particular. El objetivo de los procesos de diseño es entonces jerarquizar los requerimientos e
idear la solución más optima posible evaluada a partir de este nuevo ranking. Para esto es
necesario proponer y evaluar la mayoría de las ideas y soluciones posibles para así estar más
cerca de elegir, diseñar y manufacturar la solución más optima.
La etapa de diseño conceptual se divide en tres partes. La primera consiste en un proceso de
creatividad, principalmente una lluvia de ideas, con el fin de poder tener una gran variedad de
conceptos para proponer diversas alternativas de solución. En la segunda estos conceptos se
intentan integrar para generar estas alternativas de solución. La tercera consiste en tomar los
requerimientos y jerarquizarlos mediante métodos convencionales para con estos determinar
la alternativa de solución más optima y la que será llevada a cabo.
2.1 Conceptos sobre Subsistemas
El objetivo del proyecto es lograr modificar una motocicleta para que pueda realizar funciones
en la agroindustria. Esta modificación está subdividida esencialmente en 3 subsistemas. Los
conceptos propuestos a continuación son ideas puntuales de cómo podrían llevarse a cabo estos
subsistemas. Los subsistemas y sus conceptos son presentados a continuación.
1. Transmisión de Potencia
El subsistema de transmisión de potencia consiste en todas las partes y mecanismos que
transmiten el movimiento entre la salida del motor y el eje que soporta las llantas (eje de
tracción). Los conceptos propuestos para el desarrollo de este son:
• Reductor de Velocidades Compacto
El subsistema de transmisión de potencia está conformado por una caja con engranajes adentro
que provee una relación de reducción entre la salida de la cadena conectada a salida del motor
y el eje de tracción. Esta se ubica en el espacio liberado al retirar la llanta de la tijera de la
motocicleta.
• Reductor de Velocidades entre Cadenas y Ejes
La potencia se transmite únicamente a partir de ejes y sprockets unidos con cadenas. Varios ejes
cada uno con sus respectivos sprockets son añadidos entre la cadena a la salida del motor y el
eje de tracción y conectados mediante cadenas. De esta manera transmiten la potencia y
modifican la velocidad y fuerza proporcionalmente a la relación de reducción que determine su
geometría y configuración.
2. Tracción (Eje de Tracción y llantas)
El subsistema de tracción está conformado por las ruedas y el mecanismo o parte primaria
mediante el que están conectadas con el subsistema de transmisión de potencia y/o el
subsistema de acople.
• Ruedas de la motocicleta
La rueda trasera de la motocicleta es removida y el eje remplazado por uno con el mismo
diámetro pero más largo. Utilizando el espacio excedente del nuevo eje se ensamblan la rueda
original y una copia idéntica cada una a un lateral externo de la motocicleta soportadas por el
nuevo eje.
• Ruedas Pequeñas sobre Eje Solidario
Utilizar como subsistema de tracción el mecanismo diseñado y realizado por Miguel Ángel Diaz
en el proyecto previo. Este consiste en dos llantas pequeñas de 38 cm de diámetro soportadas
sobre un eje a una distancia de 50 cm. Debido a su geometría este tren de tracción no puede
añadirse directamente a la motocicleta y requiere de los otros dos subsistemas para funcionar.
• Ruedas Pequeñas e Independientes
El concepto principal es obtener dos trenes de tracciones iguales pero independientes. Cada
tren de tracción cuenta con una de las llantas de 38 cm y esta soportada sobre un eje muy corto
mediante el que está conectada a los subsistemas de tracción y acople. Las dimensiones y
posiciones de este soporte son iguales y su movimiento también pero no se encuentran
conectadas directamente.
3. Acople
El subsistema de acople abarca todas las uniones entre los otros dos subsistemas y la
motocicleta. Este está compuesto a partir de todas las partes que unen directa o indirectamente
a estos tres.
• Tijera Actual.
El acople de los dos subsistemas a la motocicleta se realiza únicamente utilizando la tijera actual.
Todos las partes y ensambles que componen los subsistemas de tracción y de transmisión están
unidos directamente a la tijera de la motocicleta.
• Adiciones a la Tijera.
En este caso se diseñan y manufacturan nuevas piezas para ser añadidas a la tijera de la
motocicleta. Estas nuevas partes tienen una forma de ser ensambladas a ciertos componentes
de los otros dos subsistemas, de esta manera el conjunto motocicleta, transmisión de potencia
y tren de tracción queda unido en un solo sistema. Estas adiciones no deben conectar los otros
dos subsistemas directamente aunque también es una posibilidad.
2.2 Alternativas de Solución
Cada uno de los conceptos propuestos es un subsistema diferente. Mediante la integración de
estos se obtienen distintas alternativas de solución con ventajas y desventajas con respecto a
cada uno de los requerimientos del problema. Las alternativas de diseño obtenidas mediante la
integración de subsistemas del mismo tipo son mutuamente excluyentes. Por ejemplo, no se
puede tener un tren de tracción de Ruedas Pequeñas con eje Solidario a la vez que se tiene uno
con Ruedas Pequeñas de eje independiente, pero cualquiera de los subsistemas de tracción
propuestos puede integrarse con cualquiera de los subsistemas de transmisión y/o de acople.
Existe una excepción para los subsistemas conceptuales de tipo transmisión de potencia, dado
que estos pueden integrarse como un solo sistema de transmisión de potencia, el concepto de
reductor integrado que aparece a continuación retrata esta posibilidad. El siguiente diagrama
muestra la posible interacción entre los distintos subsistemas conceptuales propuestos.
Transmisión Tracción Acople
Figura 1 Proceso de Integración
Cabe notar que el diagrama solo presenta la forma en la que ocurren las posibles integraciones
y como estas resultan en una alternativa de solución. Las alternativas de solución presentes en
el son solo algunas de todas las alternativas posibles.
Se podría pensar que se tienen entonces 18 alternativas de solución posibles. Sin embargo, no
todas las alternativas que pueden resultar a partir de integrar los conceptos como muestra el
diagrama son alternativas viables o realizables, dado que la integración puede convertir dos
conceptos incompatibles. Previamente a presentar y describir a fondo las alternativas de
solución que serán tenidas en cuenta, es necesario presentar las alternativas imposibles y dar
una breve descripción de porque están siendo descartadas.
1. Alternativas de Solución Descartadas
La forma más sencilla de descartar es realizando primero procesos de descarte generales. Con
solo dos conceptos completamente incompatibles entre ellos, ya se pueden descartar varias
alternativas de solución.
A. Reductor de Velocidades Compacto con Ruedas Pequeñas e Independientes o con
Ruedas Pequeñas de Eje Solidario
Reductor de
Velocidades
Compacto
Reductor de
Velocidades Entre
Cadenas y Ejes
Reductor
Integrado
Ruedas de la
Motocicleta
Ruedas
Pequeñas
sobre Eje
Solidario
Ruedas
Pequeñas e
Independientes
Tijera
Actual
Adiciones
a la Tijera
Alternativa
de Solución
Alternativa
de Solución
Alternativa
de Solución
Alternativa
de Solución
El concepto de reductor de velocidades compacto es una caja con ejes y engranajes adentro que
provea una relación de reducción. La razón por la que este es incompatible con cualquiera de
los dos trenes de tracción que utilizan ruedas pequeñas es una restricción geométrica. El
reductor no puede extenderse mucho en el espacio, el fin de este es transmitir la potencia entre
eje cercanos, aumentar el reductor de tamaño y por ende aumentar el tamaño de los engranajes
genera demasiados problemas ya que no permitirá definir a gusto la relación de reducción que
este puede proveer. La otra opción es acercar el tren de tracción al reductor, el problema aquí
es la interferencia que puede tener el cuerpo de la motocicleta con el suelo. Sin cadenas y ejes
que conecten el eje de tracción con el reductor, el o los ejes de tracción tendrían que estar muy
cerca de la tijera para que el reductor pueda recibir la potencia que transmite la cadena a la
salida del motor. La distancia vertical entre la tijera y parte más baja del cuerpo de la motocicleta
es pequeña, teniendo en cuenta que la distancia sobre el suelo que proporcionan las llantas
pequeñas también es poca, esta alternativa es inviable.
Al ser incompatible este concepto de transmisión de potencia con dos conceptos de tracción se
descartan 4 alternativas de solución:
▪ Reductor de Velocidades Compacto con Ruedas sobre Eje Solidario y Tijera Actual
▪ Reductor de Velocidades Compacto con Ruedas sobre Eje Solidario y Adiciones a la Tijera
▪ Reductor de Velocidades Compacto con Ruedas Pequeñas Independiente y Tijera Actual
▪ Reductor de Velocidades Compacto con Ruedas Pequeñas e Independiente y Adiciones
a la Tijera.
B. Reductor de Velocidades entre Ejes y Cadenas integrado con Acople de Tijera Actual.
Para poder ensamblar este tipo de reductor de velocidad es necesario tener varios agujeros
donde apoyar los ejes a los que se unirán los sprockets. La tijera cuenta con una cavidad en la
que pueden añadirse máximo dos ejes iguales a una distancia fija y corta. Los sprockets sobre
estos ejes deben estar alineados y al existir tan poca distancia entre los ejes, estos causarán una
interferencia. No importa que subsistema de tracción se seleccione, jamás podrá integrarse
correctamente con la combinación de estos dos subsistemas.
De esta manera se descartan otras 3 alternativas de solución.
▪ Reductor de Velocidades con Ejes y Cadenas con Tijera Actual y Ruedas de la Moto
▪ Reductor de Velocidades con Ejes y Cadenas con Tijera Actual y Ruedas Pequeñas sobre
Eje Solidario
▪ Reductor de Velocidades con Ejes y Cadenas con Tijera Actual y Ruedas Pequeñas e
Independientes
C. Reductor Integrado con Tijera Actual
El reductor integrado ya tiene integrados los otros dos conceptos de reductores propuestos.
Integrar un reductor compacto al reductor de cadenas y ejes no soluciona el problema que tiene
el segundo para integrarse al subsistema de acople con tijera actual, dado que no soluciona la
restricción de espacio. En cambio sí se integra el reductor de ejes y cadenas al reductor
compacto, no será necesario acercar el tren de tracción al reductor compacto y este subsistema
podrá integrarse con los subsistemas de tracción que utilizan ruedas pequeñas.
El subsistema de reductor integrado resulta incompatible con el subsistema de tijera actual, de
esta forma se descartan otras 3 alternativas de solución.
▪ Reductor Integrado con Tijera Actual y Ruedas de Moto
▪ Reductor Integrado con Tijera Actual y Ruedas Pequeñas con Eje Solidario
▪ Reductor Integrado con Tijera Actual y Ruedas Pequeñas e Independientes
Otras alternativas de solución pueden parecer viables cuando tan solo se han integrado dos
componentes, pero al integrar el tercero la alternativa no es funcional y es descartada.
D. Alternativas Puntuales Descartadas
▪ Reductor de Compacto con Ruedas de la Motocicleta y Tijera Actual
Utilizando solamente la tijera actual no hay agujeros suficientes para insertar el eje de entrada
del reductor compacto y el eje de salida en el que se ubican las ruedas de la motocicleta. La tijera
solo permite añadir dos ejes a una distancia muy corta, restricción que no permite espacio para
la caja de reducción.
La siguiente tabla presenta un resumen de las alternativas de solución que fueron descartadas
y las que serán evaluadas para seleccionar la óptima que será desarrollada en el proyecto.
Tabla 3 Alternativas de Solución
Alternativas de Solución Viables Alternativas de Solución Descartadas
1. Reductor de Velocidad Compacto
con Ruedas de la Motocicleta y Adiciones a la Tijera
1. Reductor de Velocidades Compacto
con Ruedas Pequeñas sobre Eje Solidario y Tijera Actual
2. Reductor Integrado con Ruedas de la
Motocicleta y Adiciones a la Tijera
2. Reductor de Velocidades Compacto
con Ruedas Pequeñas sobre Eje Solidario y Adiciones a la Tijera
3. Reductor Integrado con Ruedas
Pequeñas de Eje Solidario y Adiciones a la Tijera
3. Reductor de Velocidades Compacto
con Ruedas Pequeñas Independientes y Tijera Actual
4. Reductor Integrado con Ruedas
Pequeñas e Independientes y Adiciones a la Tijera
4. Reductor de Velocidades Compacto
con Ruedas Pequeñas e Independiente y Adiciones a la Tijera
5. Reductor de Ejes y Cadenas con
Ruedas de la Motocicleta y Adiciones a la Tijera
5. Reductor de Velocidades con Ejes y
Cadenas con Tijera Actual y Ruedas de la Motocicleta
6. Reductor de Ejes y Cadenas con
Ruedas Pequeñas de Eje Solidario y Adiciones a la Tijera
6. Reductor de Velocidades con Ejes y
Cadenas con Tijera Actual y Ruedas Pequeñas sobre Eje Solidario
7. Reductor de Ejes y Cadenas con
Ruedas Pequeñas e Independientes y Adiciones a la Tijera
7. Reductor de Velocidades con Ejes y
Cadenas con Tijera Actual y Ruedas Pequeñas e Independientes
8. Reductor Integrado con Tijera Actual
y Ruedas de Moto
9. Reductor Integrado con Tijera Actual
y Ruedas Pequeñas con Eje Solidario
10. Reductor Integrado con Tijera Actual
y Ruedas Pequeñas e Independientes
11. Reductor compacto con Rueda de la
Motocicleta y Tijera Actual
2. Alternativas de Solución viables
Es necesario entender primero lo fundamental sobre las nuevas alternativas de solución. Con
este fin es pertinente realizar una descripción de todas las alternativas de solución viables antes
de compararlas y seleccionarlas. Esta descripción incluye una exposición no detallada sobre el
ensamble, presenta las ventajas y desventajas del sistema respecto a ciertos requerimientos y
define sus componentes reales. A continuación se presentan las alternativas con su respectiva
descripción en el mismo orden que se encuentran en la tabla anterior.
• Reductor de Velocidad Compacto con Ruedas de la Motocicleta y Adiciones a la Tijera
La solución consiste en remover la llanta original del eje trasero y remplazar este por uno más
largo. Esto con el fin de poder añadir otra llanta idéntica y tener un nuevo tren de tracción de
dos llantas traseras. Las dos llantas traseras se ubican en los laterales externos de la motocicleta
sobre el nuevo eje más largo que se ubica en un nuevo soporte acoplado a la tijera. La salida del
motor consiste en un eje al que va conectado un sprocket, a este se le añade una cadena que se
une a otro sprocket soportado en el eje de entrada a la caja de reducción. La caja de reducción
cuenta con ejes y engranajes que transmiten la potencia a un eje de salida que es el mismo eje
sobre el que se soportan las llantas de la motocicleta. La caja de reducción es soportada sobre
una base que se encuentra añadida a la tijera. Al tener dos ruedas de alto diámetro ubicadas a
lados distintos del centro de masa se obtiene principalmente una buena estabilidad para la
motocicleta. Utilizar ruedas con diámetros mayores para entrar en contacto con el suelo genera
menores fuerzas de tracción y mayores velocidades lineales, esto significa que el sistema rodara
cuando sea sometido a fuerzas de adherencia menores. Teniendo el eje en una posición de
altura significativa casi que se puede garantizar que este no entrara en contacto con la tierra. La
relación del reductor de velocidad puede definirse fácilmente y convertir la potencia a fuerza o
a velocidad según sea necesario. La posición de las ruedas sigue muy limitada a las dimensiones
de la caja de reducción ya que su eje es el mismo eje de salida de esta. Si se deseara las adiciones
a la tijera permitirían alejar el tren de tracción de la motocicleta, el problema es que en esta
alternativa no existiría una forma de mover el eje.
• Reductor Integrado con Ruedas de la Motocicleta y Adiciones a la Tijera
Esta alternativa de solución es muy parecida a la descrita anteriormente, la diferencia radica en
incluir otra cadena con sprockets para transmitir la potencia entre el eje de salida de la caja de
reducción y el eje de tracción. Cada uno de estos ejes cuenta con un sprocket que van unidos
mediante la nueva cadena. Esto elimina la restricción geométrica en la que el eje de tracción
debe ser el mismo que el eje de salida de la caja de reducción. El sistema de tracción y acople es
el mismo pero la distancia entre el eje de tracción y la motocicleta ya no se encuentra tan
restringida.
• Reductor Integrado con Ruedas Pequeñas de Eje Solidario y Adiciones a la Tijera
En esta alternativa se añade una caja de reducción de velocidad y una base añadida a la tijera
que la soporte. Las ruedas se ubican en lados distintos del centro de masa por lo que tiene buena
estabilidad. El eje solidario se ensambla a la motocicleta mediante unos brazos acoplables a la
tijera. Para soportar la caja reductora se añade una base a la parte superior de la tijera. El eje de
salida de la caja reductora tiene un sprocket que va conectado mediante una cadena al eje de
tracción. Al tener ruedas pequeñas la fuerza de tracción que realiza la motocicleta para un
torque determinado es mayor y la motocicleta funcionara para fuerzas de adherencia menores.
El diámetro de las ruedas es menor y por ende su velocidad lineal a la salida también lo es. Esta
alternativa cuenta con un problema, teniendo el eje solidario tan abajo es muy posible que este
interfiera con la tierra o la maleza mientras la motocicleta está en uso.
• Reductor Integrado con Ruedas Pequeñas e Independientes y Adiciones a la Tijera
A diferencia de la alternativa de solución anterior, esta alternativa no tiene un eje solidario para
solucionar el problema de la interferencia entre el suelo y este. El ensamble de los subsistemas
es un poco más complejo aunque las variables de fuerza y velocidad se mantienen igual. El eje
de salida de la caja reductora cuenta en este caso con dos sprockets en sus extremos, cada uno
de estos sprockets va conectado mediante una cadena a otro sprocket soportado sobre un
pequeño eje que también soporta la rueda. Los sprockets de cada lado son idénticos para
transmitir la misma relación de potencia a las ruedas. Cada pequeño eje va conectado mediante
un brazo acoplable a la tijera. Al ser la transmisión de potencia de cada eje independiente la
tracción podría sufrir cambios debido a la fricción y/o adherencia de cada rueda, el balance no
es tan estable como lo es con un eje solidario. Los esfuerzos sobre ese pequeño eje son mayores
haciéndolos piezas más vulnerables.
• Reductor de Ejes y Cadenas con Ruedas de la Motocicleta y Adiciones a la Tijera
La transmisión de potencia se realiza utilizando únicamente ejes y cadenas. Aunque depende de
qué relación se quiera establecer puede ser necesario añadir más ejes y sprockets entre el eje a
la salida de la cadena del motor y el eje de tracción. El tren de tracción se soporta mediante el
mismo subsistema de acople que la alternativa número dos, con la diferencia de que este
soporte añadido a la tijera cuenta con agujeros para permitir la entrada de los nuevos ejes que
conforman el reductor de velocidad. En cuanto a balanceo, velocidad y fuerza sus ventajas y
desventajas son las mismas que en la alternativa número 2.
• Reductor de Ejes y Cadenas con Ruedas Pequeñas de Eje Solidario y Adiciones a la Tijera
La transmisión de potencia ocurre de la misma manera que en la alternativa anterior, por lo
tanto las ventajas y desventajas de la relación de reducción son las mismas. El acople entre el
tren de tracción y la motocicleta se realiza mediante brazos añadidos a la tijera con varios
agujeros para soportar los ejes del mecanismo de reducción. Respecto a las condiciones de
tracción todas son las mismas que en la alternativa número 3. Esta alternativa de solución es la
que utilizo Miguel Ángel Diaz en su proyecto.
• Reductor de Ejes y Cadenas con Ruedas Pequeñas e Independientes y Adiciones a la
Tijera
La relación de reducción se da mediante varios ejes y cadenas con sus respectivos sprockets
entre el eje a la salida de la cadena del motor y dos ejes independientes que soportan las ruedas
pequeñas. El subsistema de acople consiste en dos brazos independientes, con agujeros para
poder soportar los ejes del mecanismo de reducción, que van añadidos a la tijera y cada uno a
uno de los ejes pequeños que soportan las ruedas independientes. El subsistema de tracción
contiene las mismas ventajas, desventajas y problemas que la alternativa número 4. El balance
en esta alternativa no es tan bueno al no tener un eje que una las ruedas.
2.3 Selección de Alternativa de Diseño
El proceso de selección de la alternativa de diseño comienza con el ranking de los
requerimientos, a partir de este se podrá calificar las diferentes alternativas de solución y elegir
la mejor. Este ranking de requerimientos se realiza utilizando la matriz binaria de dominancia.
La matriz compara a cada requerimiento contra cada requerimiento otorgando un valor de 1 al
más importante, 0 al menos y 0.5 si tienen igual importancia. Al final los puntajes de cada
requerimiento son sumados y los requerimientos son ordenados de mayor a menor
estableciendo así su importancia.
1. Ranking de Requerimientos
A continuación se presenta la matriz binaria de dominancia para los requerimientos de este
proyecto.
Tabla 4 Matriz Binaria de Dominancia
Criterio 1 2 3 4 5 6 7 8 Total Puesto Peso
1. Torque Necesario 1 1 1 1 1 1 0 5.5 2 0.200
2. Velocidad Baja 0 0 1 1 1 1 0 4 4 0.145
3. Estabilidad Lateral 0 1 1 1 1 1 0 5 3 0.182
4. Volumen Mínimo 0 0 0 0 0 0.5 0 0.5 7 u 8 0.018
5. Peso 0 0 0 1 0.5 1 0 2.5 5 o 6 0.091 6. Opera en Diversidad de Campos Agrícolas 0 0 0 1 0.5 1 0 2.5 5 o 6 0.091 7. Montabilidad y Desmontabilidad 0 0 0 0.5 0 0 0 0.5 7 u 8 0.018
8. Operabilidad 1 1 1 1 1 1 1 7 1 0.255
Total 27.5 1.000
En la matriz puede apreciarse el ranking y la importancia de los requerimientos del proyecto
luego de compararlos entre ellos. La última columna corresponde al porcentaje del puntaje
obtenido por cada requerimiento entre su calificación y la suma de las calificaciones de todos
los requerimientos.
2. Selección de Mejor Alternativa
Después de obtener el ranking y peso de los requerimientos en el proyecto, se clasifica cada
alternativa de solución viable a partir de estos. A todas las alternativas de solución se les otorga
un porcentaje de como cumplen con el requerimiento. La sumatoria corresponde al puntaje final
de cada alternativa de solución, la que obtiene el puntaje más alto es la seleccionada para
diseñar y manufacturar como solución del proyecto.
Tabla 5 Ranking de alternaticvas de solución
Criterio/ Alternativa de Solución Peso 1 2 3 4 5 6 7
1. Torque Necesario 0.2 60% 60% 70% 70% 70% 60% 60%
2. Velocidad Baja 0.145 50% 50% 70% 70% 40% 60% 60%
3. Estabilidad Lateral 0.182 70% 70% 60% 50% 50% 40% 30%
4. Volumen Mínimo 0.018 50% 50% 60% 70% 50% 60% 60%
5. Peso 0.091 50% 30% 40% 50% 50% 60% 60%
6. Opera en Diversidad de Campos Agrícolas 0.091 70% 80% 60% 70% 50% 30% 40%
7. Montabilidad y Desmontabilidad 0.018 60% 40% 50% 50% 60% 70% 40%
8. Operabilidad 0.255 70% 80% 70% 60% 50% 50% 30%
Total 0.63 0.64 0.64 0.62 0.53 0.51 0.45
El método de selección obtuvo como resultado un empate de 0.64 entre la alternativa dos y la
alternativa número 3. Estas alternativas son muy parecidas y su diferencia principal es el
tamaño de las ruedas. Debido a que ya se cuenta con las ruedas pequeñas, la alternativa de
solución que será llevada a cabo durante el proyecto es la 3 (Reductor Integrado con Ruedas
Pequeñas de Eje Solidario y Adiciones a la Tijera).
3. Diseño Detallado
Implementar la alternativa de solución elegida requiere de un diseño detallado de piezas y
ensambles y de un extensivo cálculo de variables en las que se determinan las dimensiones,
materiales y uniones de estos que satisfacen los requerimientos del proyecto. Sin embargo,
hacer esto a partir de una alternativa de solución que solo cuenta con la integración de
conceptos, es un proceso que continúa estando en una escala macro de la que todavía pueden
derivarse muchas soluciones. Es por esto por lo que se deben realizar unos cálculos para definir
unos requerimientos más concretos y elaborar un primer modelo de la solución. Este proceso
consiste en primero dar una forma a los a los conceptos de la alternativa de solución limitados
por las restricciones geométricas del problema y los primeros cálculos realizados.
Posteriormente se seleccionan y diseñan elementos mecánicos que conformarán el prototipo
de solución.
3.1 Restricciones geométricas
Las restricciones geométricas del problema son tanto cuantificables como genéricas. Las
primeras están asociadas a las distintas posiciones de las uniones, por esto son medibles en
distancias y ángulos. Las segundas nacen de la disposición de las piezas en el ensamble y por
esto son características con las que debe contar el ensamble. Para esto fue necesario medir las
distintas piezas y ubicación de las uniones de la maquinaria disponible. También requirió de
desensamblar y ensamblar el prototipo actual. En la tabla a continuación se presentan las
restricciones geométricas encontradas luego de estos ejercicios.
Tabla 6 Restricciones geométricas
Restricciones Cuantificables Restricciones Genéricas
- La cadena que provee la relación secundaria requiere una distancia de 57.5 cm entre centros de los sprockets para mantenerse tensada
- La cadena no puede colocarse por encima ni por debajo de la tijera debido a que la posición del sprocket ubicado a la salida del motor es inamovible.
- La relación de reducción de la cadena es de 3.571
- La tijera cuenta con pequeñas extensiones hacia su cavidad interior que limitan la presencia de piezas en ella.
- La distancia entre el borde interno más cercano de la tijera y el plano sobre el que se ubica la cadena es de 27 mm.
- El sprocket de salida debe ubicarse alineado con el mismo plano que el sporcket del motor.
- El sprocket de salida tiene un diámetro de 21 cm y ocupa un área de 346.34 cm^2
- El diámetro de la unión de la tijera es de 15.6 mm igual que el eje insertado en ella
- La unión de la tijera cuenta con un vacío ubicado entre dos circunferencias que tienen centros a una distancia de 40 mm.
- El primer agujero de la tijera está ubicado a 57.5 cm del sprocket del motor
- La distancia entre la superficie de la tijera y la parte inferior de la cubierta trasera de la motocicleta es de 39 cm en el extremo trasero.
- La tijera tiene una distancia entre sus dos bordes opuestos en el extremo final de 25.2 cm
- La altura entre el piso y el centro de la unión de la tijera es de 320 mm
- Las llantas pequeñas tienen un radio de 14 cm y una cavidad para eje de 34 mm.
Las imágenes a continuación se presentan como resultado del ejercicio de ensamble y
desensamble.
Ilustración 7 Motocicleta desensamblada
Ilustración 8 Eje de tracción y llantas disponibles
3.2 Cálculo de la Relación de Reducción
En el proceso de recolección de información se identificó una amplia variedad de
escenarios posibles en los que podría operar la motocicleta. Las principales variables
son: El apero que será utilizado, el terreno en el que se utilizará la motocicleta, el rango
en el que será operado el motor y una reserva de potencia para otros usos de la
motocicleta. Las variables ingenieriles que cambian dependiendo de estas situaciones y
las variaciones que generan son las siguientes:
▪ Peso del apero: Influye en la fuerza normal que ejercerá el terreno sobre la
motocicleta y por lo tanto en las fuerzas de resistencia y de adherencia. También
puede afectar la condición estática de la motocicleta.
▪ Ubicación del centro de masa del apero: La posición del centro de masa del apero
influye sobre el momento ejercido sobre la bicicleta en dirección perpendicular
al plano lateral, alterando de esta manera la condición estática.
▪ Coeficiente de adherencia: Los distintos terrenos tienen distintos coeficientes de
adherencia, la fuerza de tracción no puede superar la de adherencia y por lo
tanto limita el torque de salida en el eje de tracción.
▪ Coeficiente de rodadura: Cada terreno cuenta con un coeficiente de rodadura
distinta, la fuerza de tracción se ve disminuida por la fuerza de rodadura y debe
ser tenida en cuenta para calcular el torque de salida necesario.
▪ Rango en el que será operado el motor: Los motores alcanzan diferentes
potencias a distintas velocidades de operación. La motocicleta no siempre será
operada a una velocidad constante y es por eso es necesario analizar el efecto
de esto.
▪ Reserva de potencia para otros usos de la motocicleta: Aunque no hace parte del
proyecto, se desea utilizar un poco de la potencia para realizar otros tipos de
actividades o incorporar otro tipo de maquinarias. El caso particular es la adición
de un toma fuerza que se está llevando a cabo en un proyecto paralelo realizado
por Diego Alejandro Yustres en su proyecto de grado “Diseño de un Toma Fuerza
Mecánico para una Motocicleta” [12].Es necesario incluir en los cálculos de
transmisión de potencia este gasto de energía.
La relación de reducción establecida debe proveer un torque de salida que permita a la
motocicleta operar, sino en todos, en la mayoría de los casos posibles. Para esto se
definen rangos de operación de todas las variables presentadas anteriormente.
1. Tipo de Apero y la Ubicación de su Centro de Masa
No resulta pertinente diseñar para un tipo de apero especifico ya que unas dimensiones
y pesos establecidos definirán condiciones precisas de posición de centro de masa y de
peso que solo permitirán a la motocicleta operar en determinados terrenos. Por esta
razón se realiza un caso mínimo y un caso máximo de apero. De la recolección de
información se determinó el peso mínimo de los aperos pequeños alrededor de 175 kg
y el máximo alrededor de 500 kilogramos. Para cada caso hay una distancia L entre el
centro de masa del apero y el punto de acople a la tijera. Las dos suposiciones realizadas
aquí son: El apero es simétrico en el plano lateral, su longitud total será el doble que la
distancia entre su centro de masa y el eje de la tijera, y el punto de acople se ubica en el
eje de la tijera. A continuación se presenta el diagrama del cuerpo libre en dos
dimensiones evaluado con el fin de evitar que la motocicleta se vuelque.
9 Diagrama de cuerpo libre de la motocicleta con apero suspendido
El punto ideal para evaluar la ecuación de sumatoria de momentos igual a 0 es el punto
de apoyo de la rueda trasera. Dado que se desconoce la posición en la que se ubicará el
nuevo tren de tracción una vez diseñados e implementados los nuevos elementos del
nuevo subsistema de acople, se suponen las mismas dimensiones con las que cuenta el
prototipo actual. La distancia entre el centro de masa de la motocicleta y el apoyo de la
rueda trasera es de 0.536 m y la distancia hasta la llanta delantera es de 1.34 m. Se
calcula una distancia L como la distancia máxima a la que puede encontrarse el centro
de masa del apero del apoyo en la llanta trasera de la motocicleta sin hacer que se
vuelque. La ecuación es la siguiente:
∑ 𝑀 = −𝐹𝑛1 ∗ 1.34 − 𝑀𝑎 ∗ 𝑔 ∗ 𝐿 + 𝑀𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 0.536 = 0 (1)
Donde Ma es la masa del apero y Mm la masa de la motocicleta. Por seguridad y estabilidad se
diesña para el peso de la motocicleta sin carga, una vez montando el usuario no habrán
problemas para evitar que la motocicleta se vuelque. La única variable desconocida ademas de
L es la fuerza normal 1, si al evaluar con L su dirección supuesta es correcta entonces la
motocicleta se encontrara estática, sino significa que requiere una fuerza hacia abajo en ese
punto y por lo tanto se estará volcando. El limite estático de la motocicleta es entonces cuando
Fn1 es igual a 0. Realizando el cálculo bajo estas condiciones para L y para pesos de apero de
175, 337.5 y 500 kg, se obtienen los siguientes valores:
Tabla 7 Restricciones de Aperos
Masa del apero (kg)
Distancia máxima entre rueda trasera y centro de
masa del apero (m)
Máxima posición del centro de masa del apero respecto a su borde (m)
Máxima longitud del apero (m)
175 0.361 0.521 1.043
500 0.126 0.286 0.573
337.5 0.187 0.347 0.695
La tabla anterior presenta los límites de longitud de los aperos para su determinado peso
que se pueden utilizar en la modificación.
2. Coeficiente de rodadura y de adherencia.
Para determinar la relación de reducción es necesario conocer los torque máximo
posible y mínimo requerido por la motocicleta para operar sin que la llanta se mantenga
rotando y no haya desplazamiento y sin que no pueda rotar debido a la fricción. Para
esto es necesario calcular dos fuerzas horizontales y opuestas al movimiento que son:
La fuerza de adherencia y la fuerza de resistencia a la rodadura. Del diagrama de cuerpo
libre presentado anteriormente puede observarse que la fuerza de tracción ejercida
gracias al torque de salida enfrenta a estas dos fuerzas. Por un lado si la fuerza de
tracción no supera la de resistencia a la rodadura la llanta no podrá rotar y la motocicleta
no se desplazará, por otro lado, si la fuerza de tracción restada a la de resistencia supera
la fuerza de adherencia, la motocicleta se mantendrá rotando pero sin adherirse al
suelo, removiendo el terreno y sin poder avanzar [3]. Estas dos fuerzas dependen del
peso que este soportando el apoyo, en este caso corresponde a la reacción normal
realizada sobre la llanta trasera. Aquí influye de nuevo el peso del apero seleccionado,
por esta razón en esta sección se calcula un torque máximo y mínimo para cada caso
con el fin de determinar una reducción que provea un torque y una fuerza de tracción
que se ajusten a la mayoría de los casos posibles.
El primer paso es entonces determinar la fuerza normal en la llanta trasera Fn2 ejercida
sobre la motocicleta. De la “ecuación 1” se calcula la reacción normal en la llanta
delantera, las distancias elegidas para el modelo son distancias un poco menores que la
distancia L máxima determinada en la sección anterior, con el fin de dar al diseño una
seguridad mayor respecto a la posibilidad de volcarse. Una vez obtenida Fn1 se
determina Fn2 utilizando la sumatoria de fuerzas sobre el eje vertical.
∑ 𝐹𝑦 = 𝐹𝑛1 + 𝐹𝑛2 − 𝑔 ∗ (𝑀𝑚 + 𝑀𝑎) = 0 (2)
La siguiente tabla presenta las longitudes L elegidas y el valor de las reacciones
normales obtenidas para los casos extremos de aperos evaluados.
Tabla 8 Reacciones Normales
Masa del apero (kg) L (m) Fuerza Normal llanta
delantera (N) Fuerza Normal
llanta trasera (N)
175 0.2 206.58 2664.81
500 0.07 791.66 5264.73
337.5 0.1 610.65 3853.24
Las fuerzas de adherencia y de resistencia a la rodadura se calculan como el producto
de la normal en la llanta trasera y el coeficiente de adherencia o rodadura
respectivamente. Estos coeficientes son extremadamente difíciles de determinar ya que
varían según la infinidad de suelos posibles debido a cambios en composición,
temperatura, humedad y relieve de los terrenos. De la investigación sobre varios análisis
experimentales realizados para determinarlos se logró encontrar coeficientes
recurrentes definidos para los terrenos de suelo suelto y tierra labrada. Estos terrenos
son estándares y es muy difícil en la práctica encontrarlos con los coeficientes definidos,
de todas formas funciona como una buena aproximación dado que se está construyendo
un modelo [3].
Obtenidas las fuerzas de adherencia y resistencia a la rodadura ya se definen las fuerzas
de tracción máxima y mínima para cada terreno y peso de apero. Para encontrar el
torque mínimo y máximo necesario se multiplica esta fuerza por el radio de la rueda que
en este caso es de 0.14 m. El torque máximo se calcula tomando la fuerza de tracción
como la suma de la adherencia y la resistencia a la rodadura mientras el mínimo
tomándola únicamente como la de resistencia a la rodadura. Los resultados de estos
torques con los coeficientes encontrados se encuentran en la siguiente tabla.
Tabla 9 Restricciones de torque de salida.
Terreno Coeficiente
de adherencia
Coeficiente de
Rodadura
Masa del
apero (kg)
Fuerza de Adherencia
(N)
Fuerza de Resistencia
(N)
Fuerza de
tracción máxima
(N)
Torque máximo a la salida (N*m)
Torque mínimo a la
salida (N*m)
Suelo suelto
0.48 0.3 175 1279.11 799.44 2078.55 290.99 111.92
500 2527.07 1579.42 4106.49 574.91 221.12
Tierra labrada
0.52 0.2 175 1385.70 532.96 1918.66 268.61 74.61
500 2737.66 1052.95 3790.61 530.69 147.41
Los datos de las dos columnas de la derecha definen el rango de torques que puede
proveer el motor a la salida para desplazar estos aperos en estos terrenos.
3. Rango de operación del motor.
La relación de reducción de la adaptación se compone del producto de las relaciones de
los tres componentes definidos en la sección de modelamiento (Cadena a la salida del
motor, Caja reductora y Cadena con salida en el eje de tracción) y las reducciones
internas del motor. Antes de definir las relaciones de reducción y las especificaciones
de los elementos mecánicos que las proveen es necesario analizar y establecer los
rangos en los que opera el motor. De la sección de recolección de información se
conocen las relaciones de reducción del motor y la caja de cambios y los torques y
velocidades de entrada que provee tanto a potencia nominal como a torque máximo. El
cambio realizado por la adaptación es la relación secundaria que hacía la cadena a la
salida del motor. Los rangos variables de operación del motor dependen entonces del
cambio utilizado de la caja de cambios y el punto de operación según las revoluciones
por minuto a las que opera el motor. No fue posible obtener las curvas de potencia del
motor, por esta razón se evalúa para el punto de torque máximo a 5500 rpm y el punto
de potencia nominal a 7800 rpm. Las respectivas potencias de estos puntos son de 5.760
kW y 7.460 kW.
A continuación se evaluarán cuatro casos distintos. Dos con el motor operando a torque
máximo, uno para el torque del caso máximo posible y otro para el torque del caso
mínimo posible; Los otros dos para los mismos casos de torque pero esta vez con el
motor operando a la potencia nominal. El torque final resulta del producto entre el
torque inicial y todas las relaciones de reducción como presenta la siguiente ecuación.
En esta: R1 es la reducción del motor, Rc la reducción de la caja de cambios, Rr la
reducción de la caja reductora, Rs1 la reducción de la cadena a la salida del motor y Rs2
la reducción de la cadena con salida en el eje de tracción. La única variable es Rc y las
desconocidas son Rs1 Rs2 y Rr, por lo que el producto de estas tres se define como Rt y
se calcula primero.
𝑇𝑠 = 𝑇𝑖 ∗ 𝑅1 ∗ 𝑅𝑐 ∗ 𝑅𝑡 (3)
𝑇𝑠 = 𝑇𝑖 ∗ 𝑅1 ∗ 𝑅𝑐 ∗ 𝑅𝑠1 ∗ 𝑅𝑟 ∗ 𝑅𝑠2
A partir de esta ecuación se calcula Rt para los 4 casos especificados variando en cada
uno Rc con las relaciones de reducción de los 5 cambios del motor. Antes de hacerlo es
necesario tener en cuenta un último factor que se discute a continuación en el siguiente
numeral.
4. Reserva de potencia
La adaptación que desarrolla el proyecto tiene como objetivo aprovechar de la mejor
forma la oportunidad de utilizar la motocicleta para resolver el problema de la escasez
de maquinaria agrícola en Colombia. La característica aprovechable de la motocicleta es
su potencia y es valioso diseñar teniendo en cuenta que esta puede utilizarse para otros
fines diferentes a el desplazamiento de un apero. El proyecto paralelo de Diego
Alejandro Yustres, plantea añadir un toma fuerza a la motocicleta y para esto necesita
una potencia de 4.87 kW [12]. Esta potencia se toma como una segunda salida
modificando así las condiciones de transmisión de potencia entre el motor y el eje de
tracción. La potencia del motor (Pm) ahora será igual a la potencia del toma fuerza (Pft)
sumado a la potencia del eje de tracción (Pt).
𝑃𝑚 = 𝑃𝑡𝑓 + 𝑃𝑡 (4)
El toma fuerza quiere aplicarse al eje de salida de la caja reductora, es decir antes de eso
la potencia es la que provee el motor para los elementos mecánicos. Esto significa que
la “ecuación 3” ya no puede ser calculada de esa forma debido a que no tiene en cuenta
la perdida de potencia. Sin embargo, la velocidad de los distintos ejes si puede calcularse
únicamente a partir de las relaciones de reducción debido a que depende de la
geometría, cuando ocurra la perdida de potencia el mecanismo perderá torque en ese
punto pero mantendrá su velocidad debido a la condición cinemática [13]. De la
siguiente forma puede calcularse la velocidad de salida necesaria para los torques de
salida límites y la potencia de tracción restante disponible.
𝑃𝑡 = 𝑇𝑠 ∗ 𝜔𝑠 = 𝑃𝑚 − 𝑃𝑡𝑓 (5)
La “ecuación 3” puede ajustarse para encontrar Rt teniendo en cuenta lo discutido
anteriormente de la siguiente manera.
𝑃𝑚−𝑃𝑡𝑓
𝑇𝑠=
𝜔𝑖
𝑅1∗𝑅𝑐∗𝑅𝑠1∗𝑅𝑟∗𝑅𝑠2 (3.1)
𝑅𝑡 =𝜔𝑖∗𝑇𝑠
𝑅1∗𝑅𝑐∗(𝑃𝑚−𝑃𝑡𝑓)
A continuación se presentan 4 tablas, una para cada uno de los 4 casos mencionados en
el numeral 3, que resumen los cálculos realizados y contienen los valores de reducción
totales para los distintos cambios. Las primeras dos corresponden a los casos mínimos,
por lo que la relación de reducción en la última columna es la mínima relación necesaria.
Las dos últimas contienen los casos máximos y por ende las reducciones máximas
permitidas.
Tabla 10 Relación de reducción minima necesaria
cambio Potencia restante
disponible(kW)
velocidad de salida (rpm)
velocidad lineal de la
moto (km/h)
Reducción total mínima
1
0.889 113.85 1.67
4.74
2 7.98
3 10.76
4 13.53
5 16.15
1
2.59 331.47 4.86
2.31
2 3.89
3 5.24
4 6.59
5 7.86
Tabla 11 Relación de reducción máxima permitida
cambio Potencia restante
disponible(kW)
velocidad de salida (rpm)
velocidad lineal de la
moto(km/h)
Reducción total máxima
1
0.889 14.78 0.22
36.49
2 61.50
3 82.94
4 104.26
5 124.40
1
2.59 43.02 0.63
17.78
2 29.96
3 40.40
4 50.79
5 60.60
En el caso ideal la motocicleta debería poder operar en todos sus cambios sin patinar,
es decir sin superar la fuerza de adherencia y por lo tanto la relación de reducción total
deber ser menor a 17.78 debido a que es el valor mínimo de relación máxima permitida.
También es ideal que la motocicleta pueda acelerar en todos sus cambios aunque no es
primordial dado que la inercia de movimiento adquirida puede mantenerla andando aun
con aceleraciones negativas en los últimos cambios. La relación de reducción ideal se
encuentra entonces entre 16.7 y 17.78, no obstante, el valor de 16.7 corresponde al caso
de torque máximo y es preferible diseñar para el caso nominal. Siendo así el rango final
para la relación de reducción total resulta siendo de (7.86 a 17.78).
El valor puntual de la relación se definió a partir de un método gráfico. Este consiste en
graficar líneas horizontales con los torques mínimos tanto para el apero de 175 kg y de
500 kg. Luego se grafican los puntos de torque para cada cambio y cada punto de
operación del motor con alguna relación de reducción total dentro del intervalo. Entre
más puntos se encuentren entre las dos líneas más centrado es el valor y así no se
tendrán aceleraciones que causen velocidades exageradas para aperos pequeños que
no lo requieren, el objetivo es tratar de centrar el valor de los torques. De un ensayo de
prueba y error se definió la relación total de reducción como 10, la gráfica del método
se presenta a continuación.
Gráfico 4 Torques de salida de la motocicleta para Rt de 10.5
Los únicos cambios que no podrán movilizar ningún apero son la 4ta y la 5nta operando
el motor en el punto de torque máximo. El valor nominal solo puede arrancar aperos de
500 kg en el primer cambio, lo cual es ideal para no acelerar mucho los aperos más
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
400.00
0 1 2 3 4 5 6
Torq
ue
(N*m
)
Cambio de la Motocicelta
Torque entregado a la salida según el cambio
Operando a torque maximo Operando a potencia nominal
Apero de 175 kg en Tierra Labrada Apero de 500 kg en Suelo Suelto
pequeños al ser arrancados en este cambio. Esta relación de reducción total resulta
definida en 10.
3.3 Simulación Dinámica y Definición de la Velocidad de Avance
El objetivo principal es tratar de maximizar el torque de salida en el eje de tracción. Sin
embargo, debe poder garantizarse una velocidad mínima de operación del tractor. Estos
requisitos son variables dependiendo del tipo de tractor y terreno, por lo que se
definieron a partir de la literatura. La siguiente tabla obtenida de un artículo publicado
por la universidad de Munich muestra los requisitos de velocidad para el nivel de
tecnología de un tractor.
Tabla 12 Especificaciones de velocidad para tractores según artículo "Continuously Variable Tractor Transmissions" [14]
Los niveles definidos en la gráfica representan en orden ascendente el nivel de
tecnología del tractor. Los tractores pequeños y más básicos que se están evaluando
para ser sustituidos por la motocicleta corresponderían al nivel 1. Los mecanismos de
transmisión de potencia son simples engranajes y cajas de cambios mecánicas en los
motores. Las velocidades nominales para estos tractores van entre 2 a 20(25) km/h para
avance del tractor. La motocicleta deberá operar entonces a estas velocidades para
poder remplazar correctamente al tractor en términos de eficiencia recorriendo terreno.
Operando en el punto de potencia nominal y con las relaciones de reducción definida,
la velocidad inicial de la motocicleta arrancándola en primera es de 70.81 rpm
equivalentes a 4 km/h para las ruedas de radio 0.14 m. Aunque esta velocidad no alcanza
el mínimo del rango de operación establecido según el análisis de la universidad de
Munich, esto no es un problema dado que la motocicleta se mantendrá acelerada y
aumentará su velocidad. El otro posible problema es que las aceleraciones de la
motocicleta con estos torques sean altas y debido a la reducida masa de la motocicleta,
esta supere el límite máximo de 25 km/h.
Para comprobar que la relación definida no viola esta restricción del problema se realiza
una simulación dinámica en la que la motocicleta utiliza progresivamente todas las
relaciones de reducción de su caja de cambios. Los resultados se presentan tanto para
el terreno de tierra labrada como para el terreno de suelo suelto. Se realizan tres
simulaciones variando los pesos de los aperos, estos tres son 175 kg, 337 kg y 500 kg.
Primero se calcula la fuerza de tracción como la razón entre el torque de salida calculado
con todas las especificaciones de la sección anterior y el radio de la rueda. A esta fuerza
de tracción se le resta la resistencia a la rodadura ejercida por el terreno para la
motocicleta cargando el apero determinado. Posteriormente se divide por la masa total
del apero y la motocicleta (con usuario) para calcular la aceleración. Resulta pertinente
añadir la masa del usuario dado que si la motocicleta se encuentra andando siempre
habrá alguien encima manejándola, se toma el peso del usuario como 70 kg ya que
ronda el valor del peso promedio de un colombiano. Utilizando el software Microsoft
Excel se realiza una integral numérica sobre los valores de aceleración obtenidos entre
los 10 segundos con un intervalo de tiempo de 0.1 segundos para obtener la velocidad.
Las siguientes gráficas muestran los resultados de la simulación y las velocidades a las
que operaría la motocicleta con su respectivo apero utilizando la reducción provista por
la adaptación.
Aun es necesario definir el tiempo que operará la motocicleta en cada uno de los
cambios, esto no puede saberse exactamente dado que no se encuentran las
revoluciones ideales del motor para realizar los cambios y tampoco fue posible ejecutar
pruebas experimentales para determinarlos. Se realizará la simulación bajo el supuesto
de que la motocicleta opera en su punto de mejor operación tal como se hizo en la
sección anterior. Dividiendo la velocidad de del motor en este punto (7800 rpm) sobre
la relación de reducción total entre el eje de salida del motor y el eje de tracción se
puede determinar la velocidad de salida del eje de tracción para cada cambio.
Multiplicando esta velocidad por el radio de la rueda se obtiene la velocidad de la
motocicleta. Estos resultados se encuentran en la tabla a continuación.
Tabla 13 Velocidad la motocicleta segun el cambio.
Cambio Velocidad de Salida
(rpm) Velocidad de Avance
(km/h)
1 76.47 4.04
2 128.88 6.80
3 173.80 9.17
4 218.49 11.53
5 260.70 13.76
Con estos resultados ya se cuenta con una velocidad de la motocicleta que sirve como
referencia para el conocer el cambio ideal en el que debe estar operando la motocicleta.
En la simulación el tiempo que operara la motocicleta en un cambio será el mismo
tiempo que se demore en alcanzar la velocidad de avance ideal del siguiente cambio.
Por ejemplo, la motocicleta operara en el primer cambio con el torque que esta relación
determina hasta que la aceleración causada por este la lleve a una velocidad de 4.04
km/h.
Las siguientes gráficas presentan los resultados de las tres simulaciones para los dos
terrenos caracterizados.
• Primera simulación para apero de 175 kg
Gráfico 5 Simulación dinámica para tierra labrada con apero de 175 kg
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Vel
oci
dad
(km
/h)
Tiempo (s)
Velocidad en tierra labrada con apero de 175 kg
Este es el caso mínimo de los seleccionados para determinar los rangos de operación de
la motocicleta. El torque suministrado añadiendo la relación de reducción de 10 supera
en todos sus cambios al torque requerido para poder arrancar la motocicleta. Es por
esto por lo que puede notarse en la gráfica que las 5 distintas pendientes, que
corresponden a las aceleraciones en los 5 cambios, son positivas. Cuando la motocicleta
alcanza la velocidad ideal del siguiente cambio debe modificar la reducción en la caja
mecánica para que el motor pueda rotar a la velocidad que exige sin ser forzado. Aunque
en este modelo teórico la motocicleta podría aumentar su velocidad para siempre, esto
no es del todo cierto puesto que realmente la motocicleta no siempre puede operar en
su punto máxima potencia, lo que disminuirá el torque y la aceleración. Sin embargo, es
un buen indicativo de que la motocicleta puede llegar a velocidades de 16 km/h en el
5nto cambio de la caja mecánica mientras desplaza un apero de 175 kg en tierra labrada.
Se define la velocidad de avance ideal para el caso como la velocidad media a la que
opera la motocicleta cuando utiliza la última relación de la caja de cambios que causa
una aceleración.
Gráfico 6 Simulación dinámica para suelo suelto con apero de 175 kg
Suelo suelto es un terreno más agresivo y puede observarse como la relación de
reducción provista en el 4to cambio de la caja mecánica no puede acelerar la
motocicleta. Se puede concluir entonces que en este terreno y desplazando un apero de
175 kg la motocicleta no llegará a utilizar su 5nto cambio. Lo ideal sería operar la
motocicleta entre el 3er y 4to cambio. La velocidad ideal de avance ronda los 10 km/h
para este caso.
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12
Vel
oci
dad
(km
/h)
tiempo (s)
Velocidad en Suelo Suelto con apero de 175 kg
• Segunda simulación para apero de 337.5 kg
Gráfico 7 Simulación dinámica para tierra labrada con apero de 337.5 kg
Al aumentar el peso del apero las restricciones de torque crecen y por lo tanto disminuye
la aceleración sobre la motocicleta en cada uno de los casos. Como puede observarse
en la gráfica, la motocicleta ya no alcanza la velocidad necesaria para operar en su 5nto
cambio debido a que no puede acelerar con el 4to. Para este caso será ideal operar la
motocicleta entre su cuarto y tercer cambio con una velocidad óptima de 10 km/h.
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12
Vel
oci
dad
(km
/h)
Tiempo (s)
Velocidad en tierra labrada con apero de 337.5 kg
Gráfico 8 Simulación dinámica para suelo suelto con apero de 337.5 kg
La combinación de suelo suelto y apero de 337.5 kg no permiten que la motocicleta
acelere en su 3er cambio y por lo tanto que no pueda operar en su 4to y 5nto cambio.
La velocidad ideal de operación es de 8 km/h y se obtiene operando la motocicleta entre
el 2ndo y 3er cambio de la caja mecánica.
-2
0
2
4
6
8
10
0 2 4 6 8 10 12
Vel
oci
dad
(km
/h)
tiempo (s)
Velocidad en Suelo Suelto con apero de 337.5 kg
• Tercera simulación para apero de 500 kg
Gráfico 9 Simulación dinámica para tierra labrada con apero de 500 kg
Desplazando un apero de 500 kilogramos la motocicleta será muy exigida y tendrá que
operar a bajas velocidades en los menores cambios de la caja mecánica. Para el terreno
de tierra labrada, el menos agresivo, la motocicleta deberá operar entre el 2ndo y 3er
cambio con una velocidad de avance de 8 km/h.
Gráfico 10 Simulación dinámica para suelo suelto con apero de 500 kg
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 2 4 6 8 10 12
Vel
oci
dad
(km
/h)
Tiempo (s)
Velocidad en tierra labrada con apero de 500 kg
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0 2 4 6 8 10 12
Vel
oci
dad
(km
/h)
tiempo (s)
Velocidad en Suelo Suelto con apero de 500 kg
De todos los casos simulados este resulta ser el que más exigirá a la motocicleta y por lo
tanto es el límite máximo para el cual fue diseñada la adaptación. Como puede notarse
en la gráfica anterior, la motocicleta necesita utilizar la primera reducción de la caja de
cambios para poder acelerar. Debido a los efectos inerciales puede operar durante un
tiempo en su segunda relación. Sin embargo, esto es muy similar a desplazar un
automóvil en una pendiente por lo que el motor será forzado constantemente. La
velocidad ideal de avance es de 5 km/h para este caso.
A partir de los resultados de las simulaciones dinámicas quedan definidas las velocidades
de operación mínima y máxima que permite la adaptación. La velocidad máxima es la
velocidad de avance ideal del caso mínimo (apero de 175 kg en tierra labrada) y la
velocidad mínima es la velocidad de avance ideal del caso máximo (apero de 500 kg en
suelo suelto). El objetivo de establecer los rangos es diseñar la adaptación para operar
en el punto medio de estos con el fin de que sea útil para la mayoría de los casos que
comprende. Por esta razón la velocidad de avance ideal se define como el promedio
entre el promedio de las velocidades de avance de todos los casos y el promedio entre
las velocidades de los casos límites. En la siguiente tabla se encuentran los resultados
de la simulación dinámica y la velocidad de avance final seleccionada para la adaptación.
Tabla 14 Resultados de Velocidad
Terreno Peos de Apero
(kg) Velocidad de Avance
(km/h)
Tierra Labrada
175 16
337.5 10
500 8
Suelo Suelto
175 10
337.5 8
500 5
Velocidad promedio 9.5
Velocidad promedio entre limites 10.5
Velocidad de Avance 10
3.4 Solución preliminar
Una vez establecidas las limitantes geométricas a las que están restringidas las piezas
que serán diseñadas para la adaptación y los rangos de las variables físicas, se procede
a plantear un primer modelo de cada uno de los subsistemas. Los tres subsistemas
requieren distintos tipos de piezas que pueden ser diseñadas y manufacturadas,
adquiridas en el mercado local o puede que ya estén disponibles. A continuación se
encuentra el modelo de todas las piezas requeridas para cada subsistema.
• Subsistema de Tracción
Para el subsistema de tracción se utilizará un eje solidario para soportar las ruedas y dos
ruedas pequeñas. Ya se cuenta con estas piezas dado que se utilizarán las mismas que
en la adaptación anterior.
1. Eje de tracción:
El eje de tracción utilizado será el eje de tracción con el que cuenta la motocicleta de la
adaptación anterior. Este cuenta con 5 secciones: dos con diámetro de 25.2, dos con
diámetro 34.1 y la sección intermedia con diámetro de 44.3.
2. Ruedas de apoyo:
Como nuevo apoyo de la parte trasera de la motocicleta se van a utilizar las dos ruedas
pequeñas de 14 cm de diámetro con las que cuenta la motocicleta.
• Subsistema de Transmisión de Potencia
El subsistema de transmisión de potencia que será implementando a partir del concepto
de reductor integrado cuenta con tres componentes mecánicos. Estos están expuestos
a continuación.
1. Cadena de transmisión de la potencia del motor a primer eje de salida:
Esta cadena ya está disponible dado que es la cadena original que utilizaba la
motocicleta para transmitir la potencia a la llanta trasera. Sin embargo, requiere de una
pequeña modificación para poder tener como salida el eje de entrada a la caja
reductora. Aunque los sprockets originales se mantienen, se añadirá un nuevo sprocket
intermedio para poder ubicar el eje de entrada de la caja reductora en una posición
diferente al eje soportado en la tijera. Esto requiere cambiar la cadena por una más
larga.
2. Caja reductora de velocidades:
Como reductor de velocidades se utilizará una caja reductora comercial que provea la
relación de reducción necesaria para obtener el torque y velocidad de salida deseadas.
Como entrada cuenta con el eje de salida de la cadena del motor ubicado sobre el
soporte de la tijera.
3. Cadena de transmisión de potencia entre eje de la tijera y eje de tracción:
Para transmitir la potencia al eje de tracción desde el eje de salida de la caja reductora
se utilizará otra cadena mecánica.
• Subsistema de Acople
El subsistema de acople se basa en el concepto de adiciones a la tijera. Estas adiciones
a la tijera son principalmente dos que otorgarán el ajuste necesario y la estabilidad entre
subsistema de tracción, subsistema de transmisión de potencia y la motocicleta. En este
caso las adiciones serán diseñadas y manufacturadas dado que es muy difícil encontrar
piezas comerciales que se ajusten y cumplan de manera precisa con los requerimientos
del problema.
1. Base sobre la tijera:
Consiste en una base plana que será colocada encima de la tijera, se ajustara a esta
mediante uniones en el eje de la tijera y con tornillos apretados en una pequeña base
inferior que la ajustaran a los brazos de la tijera. Sobre esta también se ubicarán los
soportes para distintos ejes y para la caja reductora. A continuación puede verse un
primer modelo de la base y sus uniones.
Ilustración 10 Base de Apoyo y sus Soportes
El diseño final de la base y su geometría fue diseñado en el proyecto paralelo de Diego
Alejandro Yustres “Diseño de un Toma Fuerza Mecánico para una Motocicleta” [12]. Por
esta razón no se encuentra posteriormente un detalle sobre el diseño de esta. El modelo
en Autodesk Inventor de esta pieza es muy útil para, a partir del modelo de ensamble
en este mismo software, determinar las distintas posiciones de los demás componentes
del ensamble que solucionan las restricciones geométricas.
2. Brazos entre la tijera y el eje de tracción
En los dos brazos de la tijera serán colocados dos soportes que serán ajustados a la tijera
en los mismos puntos y de la misma manera que la base. Estos soportes contarán con
una extensión diagonal que tiene en el extremo un agujero en el cual se añade un
rodamiento sobre el que se soportará el eje de tracción.
Ilustración 11 Brazo de Acople entre Tijera y Eje de Tracción
La siguiente imagen retrata el ensamble del modelo en un estado primitivo.
Ilustración 12 Primer Modelo de Ensamble
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
La siguiente parte del proceso de diseño detallado consiste en definir correctamente las
dimensiones y especificaciones técnicas de las piezas y ensambles presentadas en la
solución preliminar. Para esto se realizan cálculos sobre elementos mecánicos con el fin
de elegir los adecuados para resolver el problema especificado en el PDS. Partiendo de
los elementos mecánicos seleccionados y sus geometrías, comienza el diseño de las
piezas, elementos y ensambles de las que constará la solución al problema.
3.5 Selección de la Caja Reductora
Ya obtenida la relación total de reducción necesaria para satisfacer los requerimientos
del proyecto, se procede a elegir los componentes mecánicos con los que esta será
provista. Esta elección de sus relaciones independientes de reducción y sus
especificaciones técnicas depende principalmente de las restricciones geométricas del
sistema (enunciadas en las secciones anteriores).
El primer componente mecánico que se selecciona es la caja reductora de velocidades.
En el capítulo de diseño conceptual se definió que era preferible utilizar una caja
reductora como reductor intermedio debido a que mejora la estabilidad y operabilidad
del sistema. Toda la transmisión de potencia ocurre en el plano y todos los ejes deben
rotar en la misma dirección por lo que son paralelos. La caja deseada entonces debe
tener una entrada y salida paralela. El proyecto se enfoca en resolver el problema en un
contexto local por lo que el proveedor del mecanismo debe ser colombiano. La caja
reductora también debe ser la que provea la mayor relación de reducción de los tres
componentes ya que las cadenas se utilizan más para resolver el problema de las
distancias establecidas entre los ejes.
El proveedor encontrado es la empresa Giravan que fábrica transmisores de potencia y
puentes grúas en Colombia. Ellos cuentan con distintas series de reductores cada una
con características de engranajes y disposiciones de ejes distintas. Luego de evaluar los
catálogos de la mayoría de las series se seleccionó la serie S que cuenta con engranajes
helicoidales y ejes colineales. Esta serie tiene los reductores más pequeños, algo que
resulta muy útil dado que se quiere minimizar el volumen, y opera en un rango de
potencia entre 0.12 a 11 kW que se corresponde con el de la motocicleta. El reductor
debe quedar encima de la base propuesta como soporte y no debe exceder en altura y
ancho las restricciones geométricas definidas en la “sección 3.1”. Los reductores más
pequeños de la serie que cuentan con estas características son los S101. En la siguiente
imagen se pueden apreciar los datos técnicos de los reductores obtenidos del catálogo
online de la página de Giravan [15].
Ilustración 13 Ficha técnica reductores S101 Giravan
Los reductores con relaciones de 10.3 y 12.3 quedan descartados ya que no se quiere
otorgar toda la reducción total únicamente a partir de la caja. El valor de 8.9, 6 deja solo
una reducción de 1.17 para las cadenas la cual es demasiado pequeña y podría no
corresponderse con las restricciones geométricas del problema. Los que tienen relación
menor a tres también se descartan debido a que la mayoría de la reducción debe darse
mediante la caja. Este descarte deja 4 reductores que podrían satisfacer los
requerimientos del problema. De manera aleatoria se elige el reductor S101 con relación
de 4.7 para continuar con el proyecto. A continuación se presentan los planos del
catálogo para poder apreciar las dimensiones del reductor y su masa.
Ilustración 14 Planos del reductor seleccionado
Su posición se define modelando la pieza en Autodesk Inventor 2018 y verificando su
funcionalidad en el ensamble.
3.6 Selección de Cadenas y Sprockets
Luego de evaluar las restricciones geométricas y la disposición de las cadenas
propuestas en la sección 3.4, es necesario encontrar cadenas mecánicas en el mercado
que puedan cumplir con los requerimientos. En esta sección se especifica su referencia,
dimensiones importantes y se comprueba su funcionalidad.
El primer modelo plantea la necesidad de dos cadenas. La primera es la cadena que une
la salida del motor a la entrada de la caja reductora. Para esta se piensa utilizar la cadena
original de la motocicleta. El problema es que deben usarse los dos sprockets disponibles
en las posiciones definidas para que la cadena se encuentre tensada y no tenga
interferencias. Primero se evaluó la posibilidad de colocar la caja reductora sobre la
base, alargar la cadena y añadir un tercer sprocket ubicado en el eje de entrada de la
caja reductora. Del ensamble realizado en Autodesk Inventor 2018 se puede apreciar
que este nuevo sprocket engancharía muy pocos dientes a la cadena y que es imposible
otorgar una transmisión de potencia correcta utilizando esta alternativa. Por esto la
cadena original de la motocicleta no será modificada y el eje de la tijera se mantendrá
en esa posición.
• Verificación de funcionalidad de cadenas seleccionadas
Para comprobar que las cadenas son útiles para el ensamble utiliza el procedimiento de
diseño descrito en el libro “Shigley’s Mechanical Engineering Design” [16].
Primero se calculan las potencias limitadas por eslabones y rodillos y se define la menor
como Htab. Estas se calculan de acuerdo con las siguientes fórmulas.
𝐻1 = 0.004 ∗ 𝑁11.08 ∗ 𝑛1
0.9 ∗ 𝑝(3−0.07∗𝑝)
𝐻2 =1000 ∗ 𝐾𝑟 ∗ 𝑁1.5
1 ∗ 𝑝0.8
𝑛11.5
En estas fórmulas N1 es el número de dientes, n1 las revoluciones en rpm, p el paso en
pulgadas y Kr un factor que depende de la referencia de la cadena. Todas estas
dimensiones para cada una de las cadenas serán obtenidas del modelo ideal de cadena
que presenta la herramienta de Design Acelerator de Auotdesk Inventor.
Con las siguientes tablas del libro “Shiegley’s Mechanical Engineering Design” deben
definirse los factores K1 y K2. Siempre se elegirán cadenas de torón simple.
Tabla 15 Factores K1 Y K2 [16]
Ahora se puede calcular el valor de la potencia permisible como:
𝐻𝑎 = 𝐾1 ∗ 𝐾2 ∗ 𝐻𝑡𝑎𝑏
• Selección de cadena entre salida del motor y eje de la tijera
La tabla a continuación presenta las especificaciones de la primera cadena, no se verifica
su funcionalidad dado que es una cadena comercial ya manufacturada y probada.
Tabla 16 Especificaciones cadena entre salida del motor y eje de la tijera
Parámetro Valor
Referencia ISO9001:2000 Distancia entre Centros 579 mm Paso 12.5 mm Relación de Reducción 3.57 Numero de Dientes Sprocket conductor 14 Diámetro Sprocket conductor 57 mm Numero de Dientes Sprocket conducido 50 Diámetro Sprocket conducido 210 mm
• Selección de cadena entre eje de la tijera y eje de entrada al reductor.
Es necesario entonces conseguir una cadena que transmita la potencia entre el eje de la
tijera y el eje de entrada al reductor. Debido a la presencia de la base y la posición del
eje de la tijera, resulta muy complicado posicionar esta nueva cadena. Además dado que
no se modificará la cadena original, se cuenta con una relación de reducción de 3.57. La
nueva cadena debe entonces proveer un aumento de velocidad con una relación de
reducción 0.42 para obtener la relación total deseada de 1.5. Se pasa a considerar la
posibilidad de añadir la caja reductora de velocidad a la parte inferior de la base para
evitar las interferencias de esta nueva cadena. La relación entre el número de dientes y
los diámetros de estos sprockets debe ser de 0.42. Con el fin de estandarizar el ensamble
es ideal utilizar la misma referencia de cadena para todas las del diseño. Debido a que
no se encuentra esta referencia en el design acelerator component de Autodesk
Inventor 2018 y la imposibilidad de prototipar debido a la situación excepcional del
coronavirus, se selecciona una referencia de cadena similar con la cuenta el programa
para resolver las restricciones geométricas y evitar interferencias mediante el modelo
del ensamble. La referencia de cadena seleccionada es ISO 10190: 1992-08 MA-124. El
software ajusta automáticamente los diámetros para el numero de dientes, la relación
es casi que la misma que tiene la cadena ISO9001:2000 y es por esto por lo que será
seleccionada para definir los parámetros de las cadenas. La siguiente tabla presenta los
parámetros de esta y los valores de las variables utilizados para calcular la potencia
admisible.
Tabla 17 Especificaciones de la cadena entre eje de la tijera y entrada a la caja reductora
Parámetro Valor
Referencia ISO 10190: 1992-08 MA-124. Distancia entre Centros 233 mm Paso 5 in Relación de Reducción 0.42 Numero de Dientes Sprocket conductor 17
Diámetro Sprocket conductor 69 mm Numero de Dientes Sprocket conducido 7 Diámetro Sprocket conducido 29 mm n1 214 rpm H1 H2 Htab Ha
1048 Hp 81.3 Hp 81.3 Hp 81.3 Hp
La potencia que transmite la motocicleta es de 10 Hp por lo que esta cadena puede
transmitir esta potencia sin esperar ningún tipo de falla.
• Selección de la cadena entre salida de la caja reductora y eje de tracción
Esta cadena se selecciona de la misma manera que la cadena anterior. En la siguiente
tabla se encuentran las especificaciones de esta.
Tabla 18 Especificaciones de la cadena entre salida de la caja reductora y eje de tracción
Parámetro Valor
Referencia ISO 10190: 1992-08 MA-124. Distancia entre Centros 406 mm Paso 5 in Relación de Reducción 1.5 Numero de Dientes Sprocket conductor 11 Diámetro Sprocket conductor 45 mm Numero de Dientes Sprocket conducido 17 Diámetro Sprocket conducido 69 mm n1 109 rpm H1 H2 Htab Ha
258.65 Hp 116.18 Hp 116.18 Hp 72.03 Hp
La potencia permitida de esta cadena también es mayor a 10 Hp por lo que es funcional
para el ensamble.
Los agujeros de los Sprockets que serán ajustados a los ejes son presentados en la
siguiente sección junto con su debido ajuste.
3.7 Definición de Uniones y Tolerancias de las Piezas
En la práctica las uniones de las piezas no son perfectas y deben diseñarse para rangos
en el que sean funcionales. Es por eso por lo que las dimensiones de las partes de las
piezas utilizadas como uniones requieren de tolerancias y ajustes. A continuación se
definirán tolerancias tanto para las piezas diseñadas y las piezas estándares que
conforman el ensamble del proyecto. Las tolerancias de las partes de las piezas son
presentadas progresivamente según las uniones que se van presentando. Los ajustes
que determinan estas tolerancias están definidos según norma ISO 286.
• Tolerancias de Agujeros y Ejes.
Los mecanismos de transmisión de potencia utilizados para el proyecto son todos
rotacionales. El ensamble constara de varias uniones entre ejes, agujeros y rodamientos.
Es pertinente determinar las dimensiones máximas y mínimas que podrán tener las
piezas que las conforman para dar funcionalidad al prototipo. Las siguientes tablas
muestran las tolerancias correspondientes a cada tipo de ajuste para ejes y agujeros, los
ajustes elegidos fueron seleccionados utilizando la norma ISO 286. [17].
Tabla 19 Tolerancias a partir de diametro nominal
Gráfico 11 Desviaciones de acuerdo a los ajustes presentados
A. Unión entre agujero de tijera y eje de tijera
La tijera es una pieza ya manufacturada y por lo tanto no es necesario definir ninguna
tolerancia. El eje que se insertará en su cavidad necesitará rotar a una alta velocidad sin
salirse del agujero de la tijera. Para ejes con aro exterior fijo y cargas normales (en las
que se incluyen reductores de velocidad) el ajuste recomendado es de k5 0 k6…. El
diámetro que corresponde a la dimensión nominal de este eje es de 15.6mm, se toma
como ajuste k6 ya que la precisión sale más costosa. De la “tabla 20” se encuentra una
tolerancia de 11µm. Dado que k tiene la dimensión nominal como base, esta sección del
eje debe seguir la siguiente especificación:
Ajuste: H6/k6
Diámetro del eje: 15.6 + 0.011 mm
Tipo de Unión: intermedia
B. Unión entre brazo de acople y eje de tijera
Esta unión corresponde a la misma unión anterior, por lo que las especificaciones del
eje son las mismas. Sin embargo, el agujero del brazo de acople aún no ha sido
especificado. El diámetro nominal es el mismo que el del agujero de la tijera y el ajuste
para agujero con aro exterior fijo es H6 o H7 para cargas de transmisión. Reduciendo la
precisión las especificaciones de este agujero son:
Ajuste: H7/k6
Diámetro: 15.6 + 0.018 mm
Tipo de Unión: intermedia
C. Unión entre la primera cadena y eje de tijera, misma unión que eje de tijera y
primer sprocket de la segunda cadena.
Esta unión consta del mismo eje de la unión descrita en el numeral A pero ahora será
insertada en el agujero del sprocket de salida de la cadena. Esta es una pieza con la que
ya se cuenta y por lo tanto no es necesario definir una tolerancia. En este caso se toma
un ajuste para aro exterior móvil debido a que el sprocket también se encuentra girando.
El ajuste recomendado para este caso es j5 o h5 para cargas variables…. La dimensión
nominal corresponde a la definida por el agujero del sprocket de 16mm, se usa j5 ya que
cuenta con la dimensión nominal como eje base. El eje requiere una sección media con
la siguiente especificación:
Ajuste: H6/j5
Diámetro: 16 ± 0.004mm
Tipo de Unión: intermedia
El agujero del sprocket de entrada de la segunda cadena se posiciona en el mismo eje.
Por esta razón debe tener el mismo ajuste H6 y la dimensión nominal debe ser la del eje.
Este agujero cuenta con las siguientes especificaciones.
Diámetro 16 + 0.011 mm
Tipo de Unión: intermedia
D. Unión entre eje de entrada al reductor y agujero del sprocket de salida de la
segunda cadena.
La dimensión nominal corresponde al eje de entrada al reductor que es de 14mm. El
sprocket se encuentra girando así que corresponde a una situación de aro exterior móvil.
Para el eje el ajuste sugerido es j5 y para el agujero es N7.
Ajuste: N7/j5
Diámetro del eje: 14 + 0.008 mm
Diámetro del agujero: 14 – 0.018 mm
Tipo de Unión: Intermedia en caso extremo, en los demás es de interferencia
E. Unión entre eje de salida del reductor y sprocket de entrada de la tercera cadena.
Esta situación es la misma que en el numeral D. Se utiliza el mismo ajuste que en ese
caso. Para un diámetro nominal de 16 mm, las especificaciones de la unión son:
Ajuste: N7/j5
Diámetro del eje: 16 + 0.008
Diámetro del agujero: 16 - 0.018
Tipo de Unión: Intermedia en caso extremo, en los demás es de interferencia
F. Unión entre sprocket de salida de la tercera cadena y eje de tracción
El eje de tracción cuenta con tres secciones diferentes. El sprocket debe acoplarse a la
sección mayor con un diámetro de 44.3 mm. La situación correspondiente es de aro
exterior móvil. El agujero del sprocket debe tener un ajuste de N7 mientras el eje uno
de j5. Se piensa tornear un poco esta sección debido a que el sprocket no es muy grande,
la dimensión esperada es de 40 mm las especificaciones de la unión son:
Ajuste: N7/j5
Diámetro del eje: 40 ± 0.0055
Diámetro del agujero: 40 -0.025
Tipo de Unión: Intermedia
G. Unión entre eje de tracción y agujero del brazo de acople
Esta unión tiene el aro extremo fijo debido a que es un soporte, el ajuste recomendado
es H7. Ya se cuenta con el eje por lo que no es necesario definir una tolerancia para este.
Él diámetro nominal corresponde a la sección media del eje con un valor de 34.1mm.
Las especificaciones de este ajuste son:
Ajuste: H7/j5
Diámetro del agujero: 34.1 + 0.025
Tipo de Unión: Intermedia
H. Unión entre agujero de ruedas y eje de tracción
La sección del eje en el que se insertan las ruedas corresponde al diámetro nominal de
la unión, en este caso es de 34.1mm. Dado que la rueda también gira es necesario un
rodamiento con aro móvil. El ajuste seleccionado para el agujero en este caso es de M7,
el eje no requiere tolerancia dado que es una pieza ya definida. Las especificaciones de
la unión son:
Ajuste: M7/j5
Diámetro del agujero: 34.1 - 0.025
Tipo de Unión: Intermedia
3.8 Diseño de Brazos de Acople y Selección del Eje de Tracción
El proceso de diseño detallado realizado hasta ahora permite concluir que la posición
definida por Miguel Ángel Díaz para el eje de tracción y las ruedas que utilizó de 14 cm
de radio son viables para utilizar en el prototipo. Estas ruedas y este eje son
completamente funcionales y fueron seleccionados para el mismo proyecto, razón por
lo que la su unión ya se encuentra definida. Utilizar estas ruedas y este eje y colocarlos
en esta posición no solo facilita el proceso de diseño del prototipo sino también de la
adquisición de sus componentes debido a que ya se cuenta con estos elementos. A
continuación se encuentran los planos del eje realizados por Miguel Ángel en su
adaptación [11].
Ilustración 15 Eje de tracción seleccionado [11]
• Geometría necesaria del brazo de acople
El único elemento que resta por diseñar es el que unirá el eje de tracción y las ruedas a
la tijera de la motocicleta. En la siguiente imagen se encuentran las restricciones
geométricas que debe satisfacer esta unión. En la sección 3.4 se presentó una idea
primitiva sobre la geometría que debe tener esta pieza, que será llamada brazo de
acople, para unir correctamente el subsistema de tracción a la motocicleta y al
subsistema de transmisión de potencia. En las imágenes a continuación se encuentran
los problemas geométricos puntuales que debe resolver esta pieza.
Ilustración 16 Restricciones geométricas laterales del brazo
Ilustración 17 Restricciones geométricas frontales del brazo
• Transmisión de Fuerzas del brazo de acople
Además de unir estas dos secciones del prototipo, el brazo de acople tiene la función de
soportar la motocicleta. Tomando las cargas que serán ejercidas sobre la motocicleta en
el caso medio (apero de 337.5 kg) definido en la sección 3.2, se realizara un análisis
estático para determinar la geometría y uniones pertinentes que debe tener este brazo
406 mm 321 mm
167 mm 140 mm
297 mm
26.176 mm
169.2 mm
3.77°
de acople. La primera idea para evaluar es diseñar el brazo como un elemento de dos
fuerzas. La imagen a continuación contiene las cargas a las que está sometida la
motocicleta utilizando esta opción.
Ilustración 18 Diagram de Fuerzas ejercido sobre la motocicleta
Utilizando la ecuación de sumatoria de momentos es posible calcular el valor de la fuerza normal
en llanta delantera. Posteriormente se utilizará la ecuación de sumatoria de fuerzas en el eje
vertical para obtener la reacción vertical que deberá ejercer el brazo sobre la motocicleta.
∑ 𝑀 = −𝐹𝑛1 ∗ 1.18 − 𝑀𝑎 ∗ 𝑔 ∗ 0.1 + 𝑀𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 0.376 = 0
𝐹𝑛1 =88.91
∑ 𝐹𝑦 = 𝐹𝑛1 − 𝑀𝑚 ∗ 𝑔 − 𝑀𝑎 ∗ 𝑔 + 𝐹𝑏𝑦 = 0
𝐹𝑏𝑦 = 4373.99
Peso de la
motocicleta
Fuerza normal
rueda delantera
Peso del apero
Reacción del
brazo
Debido a la geometría, este también causará una reacción en el eje horizontal. Como puede
apreciarse en la “ilustración 16”, el ángulo ideal en el que se encontraría el brazo con la
horizontal corresponde a la tangente inversa de la razón entre 181 mm y 167mm que equivale
a un valor de 47.3°. El brazo como elemento de dos fuerzas sentirá una compresión entre esta y
las fuerzas ejercidas sobre la motocicleta. Las fuerzas compresivas se calculan a continuación
usando este ángulo.
𝐹𝑏 =𝐹𝑏𝑦
sin 47= 5979 𝑁
𝐹𝑏𝑥 = 𝐹𝑏𝑦
tan 47= 4077 N
Estas mismas fuerzas serán transmitidas a las llantas y al suelo. Aunque la tierra puede soportar
la componente horizontal, la fuerza de resistencia a la rodadura deberá ser mayor que la
componente horizontal. Utilizando los coeficientes de resistencia a la rodadura definidos en la
“tabla 10” se obtienen, respectivamente para suelo suelto y tierra labrada, unas fuerzas de
resistencia a la rodadura de 1311.9 y 874.6. Utilizar un elemento de dos fuerzas no es viable ya
que la motocicleta rodaría hacia atrás y el elemento de dos fuerzas rotaría. Es necesario añadir
modificaciones que solucionen estos dos problemas.
La primera modificación consiste en utilizar la base que será acoplada sobre la motocicleta para
unir el brazo de acople a otro punto de la tijera. Para esto es necesario añadir un nuevo elemento
al cuerpo del brazo de acople que pueda unirlo a este punto. La segunda idea es diseñar el brazo
de acople en forma de L con el fin de aumentar el ángulo respecto a la horizontal y disminuir la
fuerza que se transmite en esta dirección. Las siguientes imágenes presentan las primeras
dimensiones con las que se evalúa la idea.
Ilustración 19 Dimensiones del brazo de Acople
Con estas dimensiones la distancia horizontal entre el agujero de la tijera y el punto inferior de
la pendiente del brazo de acople es de 53 mm. El nuevo ángulo entre la horizontal y el brazo es
de 73.67°. El cálculo de la reacción horizontal se encuentra a continuación.
𝐹𝑏𝑥 = 𝐹𝑏𝑦
tan 73.67°= 1281 N
El nuevo elemento será una unido a la base mediante un tornillo vertical que añadirá una
restricción de momento para evitar que el brazo rote y también una reacción en el eje horizontal.
Con el fin de mantener el brazo de acople como una sola pieza se soldará este nuevo elemento
al cuerpo del brazo de acople. La fuerza de resistencia a la rodadura tendrá como valor máximo
el producto de la normal por el coeficiente del terreno respectivo. Resulta pertinente notar que
estas fuerzas no serán todas soportadas por el mismo elemento, en cada lado de la motocicleta
se ubicará uno de estos brazos por lo que se reducen a la mitad. Esto con el fin de poder definir
correctamente las cargas que soporta cada uno de los brazos. La siguiente imagen presenta el
diagrama de cuerpo libre del brazo de acople teniendo en cuenta todas estas consideraciones.
160mm
m
114 mm
146 mm
m 320 mm
m
Ilustración 20 Diagrama de fuerzas sobre el brazo de acople
El sistema de ecuaciones, utilizando la ecuación de sumatoria de momentos en el punto del eje
de tracción, se encuentra a continuación.
∑ 𝑀 = 2186.5 ∗ 0.167 − 640.5 ∗ 0.181 − 𝐹𝑥 ∗ 0.146 − 𝑀 = 0
∑ 𝐹𝑦 = −2186.5 + 𝐹𝑛 = 0
∑ 𝐹𝑥 = +𝐹𝑥 + 640.5 − 𝐹𝑛 ∗ 𝐶𝑟 = 0
En la tabla a continuación se encuentran los resultados para el terreno de tierra labrada y el
terreno de suelo suelto.
2186.5 N
640.5 N
M
Fx
Fr
r
Fn
Tabla 20 Cargas ejercidas sobre el brazo de acople
Terreno Fn (N) Fx (N) M (N*m)
Tierra Labrada 2187 -203.2 278.9
Suelto Suelto 2187 15.45 247
El terreno de tierra labrada requiere que la motocicleta ejerza una fuerza sobre el brazo en la
dirección horizontal. Aquí surge un nuevo problema ya que la motocicleta no puede ejercer esta
fuerza debido a que se encuentra estática y no tiene ningún soporte. Será necesario entonces
añadir restricciones de torque al eje de tracción para aumentar la fuerza de resistencia en el eje
y eliminar la necesidad de esta fuerza. Estas restricciones pueden proveerse mediante los
pulsadores o bloqueos de las ruedas o utilizando la pata de cabra. De todas formas es
recomendable tener precauciones en el momento de colocar el apero sobre la motocicleta en
este terreno.
• Problema de estabilidad lateral
En la “ilustración 17” puede apreciarse un pequeño ángulo de 3.77° entre la tijera y la dirección
de desplazamiento de la motocicleta. Esto indicaría que una componente de la fuerza de
reacción ejercida por el brazo de acople actuaría en la dirección lateral de la motocicleta y podría
afectar la estabilidad. Debido a que el diseño es simétrico y se ubicará un brazo de acople a cada
lado de la motocicleta, esta componente será anulada por su contraparte. El valor de esta se
despreció para el cálculo de las fuerzas sobre el plano lateral debido a que el ángulo es muy
pequeño y por lo tanto también lo será la componente.
En la sección 3.1 se discutió sobre el problema de estabilidad que tenían las uniones diseñadas
por Miguel Ángel en su adaptación. Con el fin de mejorar esto se modelan los brazos de acople
con una sección transversal para aumentar su inercia. También se diseña un agujero en cada
uno de los brazos por el que pasa una varilla roscada que será apretada por una tuerca a cada
extremo lateral de los brazos. Esto fijará su posición en la dirección lateral añadiendo estabilidad
a la motocicleta. Teniendo en cuenta los cálculos realizados en esta sección y la geometría del
brazo de acople resulta mejor soldar el elemento que provee la reacción de torque al brazo de
acople. De esta manera el brazo de acople resulta siendo una sola pieza.
3.9 Selección de Elementos de Sujeción
Para unir y posicionar las distintas piezas diseñadas con la motocicleta y los elementos
mecánicos de transmisión de potencia se usarán piezas estandarizadas como tornillos, tuercas
y rodamientos, dependiendo de la unión necesaria.
Los ejes y agujeros están muy ligados a las uniones entre el subsistema de tracción con
el de transmisión de potencia y el de acople. El último subsistema tiene como función
no solo integrar los otros dos, sino también dar un ajuste funcional a la motocicleta. Para
esto cuenta con distintas uniones entre las distintas piezas que lo conforman y la tijera
de la motocicleta. Estas uniones se realizan ya sea por medio de procesos de
manufactura o mediante aprietes de tornillos y tuercas estándares. A continuación se
encuentran los elementos estandarizados utilizados y las uniones que definen.
Tabla 21 Piezas estandarizadas del ensamble
Unión Elemento Cantidad
-Base y soporte inferior de la base
Tornillo AS 1427 – Métrico M10 x 60 X2
Tuerca DIN 6923 M10 x 1,25 X2
-Base y brazos de la base Soldar los brazos de la base en la parte inferior de la base.
-Brazos de la base a tijera y brazo de acople
Tornillo (IFI) 5/8-11 UNC x 1,25 X2
Tuerca (IFI) 5/8-11
X2
-Brazos de acople a base y tijera
Tornillo GB/T 35 M 10 X 70 X2
Tuerca ANSI B18.2.4.2M M10 X 1,5 X2
-Brazos de acople a eje de tracción
Rodamientos ANSI/AFBMA 16.1 35 x 47 x7 X2 Uno para
cada brazo
-Pasador del brazo Tuerca CSN 02 1402M 14 x 1,5 X2
Estas piezas fueron seleccionadas del content center de Autodesk Inventor 2018
4. Diseño Final
La última parte del proceso de diseño consisten en comprobar la funcionalidad del prototipo
diseñado y presentarlo. Esto se hace mediante pruebas en el laboratorio o en el ambiente
correspondiente y mediante simulaciones en distintos softwares. El prototipo no pudo realizarse
durante este proyecto por lo que no fue posible realizar pruebas sobre este. Sin embargo, el
diseño de los componentes y el ensamble si se encuentra terminado, por lo que el prototipo
está listo para implementarse. Como guía para los trabajos futuros se presenta la descripción
del procedimiento junto con el diseño final de los subsistemas integrados. La única justificación
ingenieril no realizada en el capítulo de diseño detallado fue la funcionalidad estructural de los
elementos diseñados, es decir del subsistema de acople. Para esto se realiza una simulación de
elementos finitos sobre el brazo de acople. La base colocada sobre la tijera fue diseñada en un
proyecto complementario y su análisis estructural fue realizado en ese. Con toda esta
información se realiza una evaluación de cumplimiento de objetivos y requerimientos del
proyecto definidos en la sección 1.2.
4.1 Resultados de Diseño
El resultado del proyecto es el diseño de un prototipo que consiste en tres subsistemas y
funciona como la adaptación de una motocicleta a la actividad agrícola. A continuación se
presentan estos subsistemas y los elementos que los conforman, el prototipo completo y su
procedimiento de ensamble.
• Subsistema de transmisión de potencia
En la siguiente tabla se encuentran los elementos mecánicos que conforman este subsistema
Tabla 22 Elementos del subsitema de transmisión de potencia
N0 Elemento
Relación de Reducción
Función
1 Cadena ISO 9001:2000 3.57
Transmitir la potencia entre la salida del motor al eje ubicado en el agujero de la tijera.
2 Cadena ISO 10190: 1992-08
MA-124. (1) 0.42
Transmitir la potencia del eje ubicado en el agujero de la tijera a la entrada de la caja reductora
3 Caja reductora Giravan S101 4.7
Reducir la velocidad para entregar más torque al eje de tracción
4 Cadena ISO 10190: 1992-08
MA-124. (2) 1.5
Transmitir la potencia desde la salida de la caja reductora hasta el eje de tracción.
En la siguiente imagen puede apreciarse la funcionalidad del subsistema.
Tabla 23 Subsistema de transmisión de potencia
• Subsistema de tracción
Este subsitema consta solamente del eje de tracción y sus dos ruedas, las ruedas tienen un radio
de 14 cm y las dimensiones del eje se encuentran en la sección 3.8. En la siguiente imagen se
presenta el subsistema.
Eje de salida
del motor
Tijera de la
motocicleta
3
Eje de tracción
4
2
1
Eje en el agujero
de la tijera
• Subsistema de acople
En la siguiente tabla se encuentran todos los elementos diseñados que conforman el subsistema
de acople, los elementos estandarizados se encuentran en la “tabla 22”. Los planos de estos
elementos con sus dimensiones definidas se encuentran en los anexos.
Tabla 24 Elementos diseñados del subsistema de acople
Elemento Función
Base
Servir como elemento de unión entre elementos del subsistema de transmisión de potencia y la motocicleta.
Brazo de Apoyo
Servir como elemento de union entre elementos del subsistema de tracción y la motocicleta. Tambien debe soportar el peso de la motocicleta y garantizar su estabilidad lateral.
Varilla Roscada
Unir los dos brazos de apoyo para mejorar la estabilidad de la motocicleta.
Eje de tracción
Ruedas de 14
cm de radio
El subsistema se encuentra en la siguiente imagen.
Ilustración 21 Subsistema de acople
• Diseño Completo
Las siguientes imágenes presentan el prototipo diseñado con los 3 susbsitemas unidos.
Ilustración 22 Prototipo Final
Base sobre la
tijera
Tijera de la
motocicleta
Brazo de
apoyo
Varilla roscada
Ilustración 23 Ensamble del Prototipo Final
• Procedimiento de ensamble
Para ensamblar el prototipo es necesario conseguir todos los elementos estandarizados
definidos en la “tabla 22”. Estos elementos fueron seleccionados para cumplir con las
restricciones geométricas del modelo del prototipo en Autodesk Inventor 2018, existe
la posibilidad de cambiarlos por elementos más accesibles o baratos. De todas formas
el procedimiento será descrito utilizando estos elementos. También es necesario
manufacturar la base y sus soportes así como el brazo de acople. Los planos de todas las
piezas diseñadas se encuentran en los anexos nombradas con el nombre especificado
en esta sección. A continuación se encuentra la lista de pasos que deben seguirse para
ensamblar el prototipo.
▪ Ensamble del subsistema de transmisión de Potencia
1. Desmontar la llanta trasera de la motocicleta y dejarla suspendida sobre un gato
hidráulico.
2. Colocar la base sobre la motocicleta y alinear sus orejas con los agujeros de la
tijera. Una vez hecho esto se deben alinear los agujeros de la base de sujeción
con los agujeros frontales de la base de la tijera. Por cada uno de estos debe
pasar uno de los tornillos AS 1427 – Métrico M10 X 60. Utilizar para cada tornillo
una tuerca DIN 6923 M10 X 1,25 para ajustar la base de sujeción fijando de esta
manera la base a la tijera.
3. Añadir la caja reductora S101 de Giravan a la parte inferior de la base. La salida
corresponde al eje ubicado en la parte trapezoidal. El eje de entrada debe quedar
del lado de la cadena ISO 9001:2000 con sprocket conductor a la salida del
motor. Los planos encontrados de la caja reductora permiten definir la posición
vertical de los ejes y su dimensión. La profundidad de la caja y de su base no son
exactas por lo que no se conocen las dimensiones exactas de los agujeros que
tiene el reductor para ser añadido a otras piezas. Por esta razón no se especifican
agujeros en la base añadida a la tijera ya que podrían ser inútiles. La base deberá
manufacturarse previamente a iniciar el procedimiento de ensamble para poder
añadirse el reductor.
4. Introducir el eje trasero original de la motocicleta por el agujero izquierdo de la
tijera. Ajustar sobre este el Sprocket conducido de 50 dientes de la cadena ISO
9001: 2000. Antes de pasar el eje al extremo derecho de la tijera y fijarlo, debe
ajustarse también el sprocket conductor con 17 dientes, de la cadena ISO 10190:
1992-08 MA-124, justo al lado del sprocket de 50 dientes. Las dos cadenas
correspondientes deben ir colocadas sobre sus sporckets antes de ajustar el eje
en el agujero derecho de la tijera.
5. Añadir el sprocket conducido con 7 dientes, de la cadena ISO 10190: 1992-08
MA-124, al eje de entrada de la caja reductora. Colocar la cadena
correspondiente sobre este sprocket.
6. Añadir el sprocket conductor con 11 dientes, de la segunda cadena ISO 10190:
1992-08 MA-124, al eje de salida del redactor. Colocar su respectiva cadena
sobre él.
▪ Ensamble del subsistema de transmisión de potencia.
7. Remover todas las piezas añadidas al eje de tracción de la adaptación de Miguel
Ángel Díaz. Colocar un rodamiento ANSI/AFBMA 16.1 35 x 47 x 7 al agujero
circular de cada brazo de acople.
8. Colocar el sprocket restante con 17 dientes sobre la sección media del eje a una
distancia aproximada de 46 mm del hombro más cercano.
9. Ajustar el agujero con el rodamiento del brazo de acople izquierdo al hombro de
la sección media del eje más lejano al sprocket de 17 dientes.
10. Colocar la llanta izquierda sobre el extremo izquierdo del eje.
▪ Ensamble del subsistema de acople.
11. Alinear el agujero superior del brazo de acople al agujero de la tijera. Por el borde frontal
del agujero debe pasar el eje original de la motocicleta. Si este no es suficientemente
largo, será necesario conseguir uno nuevo con el mismo diámetro pero más largo. Pasar
un tornillo (IFI) 5/8-11 UNC x 1,25 por el borde libre del agujero y ajustarlo con tuerca
(IFI) 5/8-11. El brazo de acople debió quedar unido a la tijera y a la base parcialmente.
12. Alinear el agujero del otro extremo del brazo de acople con el agujero de la sección
media de la base. Pasar por estos dos un tornillo GB/T 35 M10 X 70 y ajustarlo con tuerca
ANSI B18.2.4.2M M 10 X 1,5.
13. Repetir los pasos 9, 10, 11 y 12 para el lado derecho de la motocicleta. Colocar la
Segunda cadena ISO 10190: 1992-08 MA-124 sobre el sprocket de 11 dientes a la
salida de la caja reductora.
14. Pasar la varilla roscada por los agujeros de la sección media de los brazos de acople y
ajustarla a cada lado con una tuerca CSN 02 1402M 14 x 1,5.
15. Desmontar la motocicleta del gato hidráulico.
4.2 Verificación de los Requerimientos de Diseño
Todas las piezas diseñadas fueron modeladas en Autodesk Inventor 2018 donde se encuentran
unidas en el ensamble del prototipo. En los anexos se encuentran sus planos y especificaciones.
En la siguiente tabla se encuentran el requerimiento u objetivo y su resultado.
Requerimiento Verificación
• Todas las piezas del prototipo deben ser manufacturadas a partir de procesos instalados en la Universidad de los Andes.
No se manufacturó el prototipo
• El prototipo debe ser manufacturado en materiales que puedan soportar altos impactos y esfuerzos.
La base y el brazo de apoyo están pensados para manufacturarse en acero estructural. Este tiene un esfuerzo de fluencia de 250 Mpa y un esfuerzo último de rotura de 460 Mpa.
• El nuevo ensamble de reductor y tren de tracción debe ser fácilmente desmontable a la motocicleta.
Solo se utilizan Tornillos y tuercas para las uniones. Las llaves adecuadas bastan para montar y desmontar el prototipo diseñado.
• La modificación debe permitir al usuario operar la motocicleta de la misma manera que lo haría normalmente.
La caja de cambios, el sistema de frenado y el motor de la motocicleta no se modifican en la adaptación, el usuario podrá operar la motocicleta como lo haría sin ella.
• El prototipo de solución debe poder utilizarse con cualquier motocicleta común.
El diseño fue realizado con las dimensiones de la motocicleta YAMAHA XTZ125, adaptarlo para que sea útil en cualquier motocicleta es un trabajo pendiente.
• La motocicleta debe incluir una reducción de velocidad de 10:1 para generar el torque necesario requerido para desplazarla a ella y a un apero pequeño (175 a 500 kg) en un campo agrícola.
El producto de las relaciones de reducción de las tres cadenas y la caja reductora es de 10.5.
• La motocicleta debe operar a velocidades menores de 15 km/h
De las simulaciones dinámicas realizadas en la sección 3.3 se determinó que solo operando un apero de 175kg en tierra labrada se puede llegar esta velocidad. En la mayoría de los casos se cumple con este requerimiento.
• La motocicleta debe poder mantener la estabilidad lateral operando a una velocidad de avance de 10km/h en campos agrícolas
Es necesario implementar y probar el prototipo para determinarlo.
• Simulación de elementos finitos
El problema de integridad estructural del brazo de acople se resolvió mediante una simulación
de elementos finitos en Ansys Workbench. La estabilidad estructural de la base se corroboró en
el proyecto de grado (citar yustres). A continuación se encuentran su procedimiento y
resultados.
1. Geometría y malla
Para definir la geometría se importó la pieza (Brazo de acople) de Autodesk Inventor 2018. El
material seleccionado fue acero estructural. Se definió una malla con resolución de 7 con
elementos de tamaño máximo de 4 x 10^-3, para un total de 255103 nodos y 171561 elementos.
2. Cargas y soportes.
De acuerdo con el análisis realizado en la sección 3.8 la fuerza vertical que debe soportar el brazo
de 2186.5 N. Esta carga actúa sobre los dos agujeros que conforman la unión a la tijera. Por esta
razón se definieron dos cargas, cada una con una magnitud de 1093.25 direccionadas hacia el
suelo. En el agujero donde se coloca el eje de tracción y en el agujero donde pasa un tornillo
GB/T 35 M 10 X 70, se colocaron soportes cilíndricos. El estado de cargas puede
apreciarse en la siguiente imagen.
3. Análisis de esfuerzos
Para determinar los esfuerzos y el factor de seguridad se utilizó la teoría de distorsión
de energía de Von Misses. Los resultados de máximo esfuerzo generado y mínimo factor
de seguridad se encuentran en la imagen a continuación.
Ilustración 24 Esfuerzos sobre brazo de acople
Ilustración 25 Factor de seguridad del brazo de acople.
De esta simulación puede concluirse que la pieza es funcional y soportará sin ningún
problema los esfuerzos generados por mantener el peso de la motocicleta y un apero
pequeño.
4.3 Ficha Técnica
Para finalizar resulta pertinente resumir las capacidades generales en las que se
encontrará la motocicleta con la adaptación diseñada. En la siguiente ficha técnica se
presentan las especificaciones finales del diseño.
Ficha Técnica
Capacidades Resultado Especificaciones Resultado
Relación de Reducción Total 10 Material de la Base Acero
Estructural
Torque Máximo 349.3 N*m Material del Brazo de Acople Acero
Estructural
Torque Mínimo 49.91 N*m Factor de Seguridad Mínimo
del Diseño 6.08
Fuerza Máxima de Tracción 2495 N
Fuerza Mínima de Tracción 356.5 N
Velocidad Máxima 20 km/h
Velocidad Nominal 10 km/h
Velocidad Mínima 5 km/h
Potencia Utilizada en Tracción Respecto a la Máxima
Disponible
3.47/10 Hp
5. Conclusiones
Este proyecto permite concluir que adaptar una motocicleta común para sustituir
al tractor pequeño y de esta forma utilizarla como maquinaria en el campo de la
agroindustria es una alternativa viable. La motocicleta podrá arrancar en distintos
terrenos mientras desplaza aperos con pesos entre los 175 y 500kg. También
estará en capacidad de desplazarse a velocidades menores a los 15 km/h sin
perder su estabilidad lateral. Además no es necesario que utilice toda su potencia
en desplazamiento. El diseño realizado permite que la motocicleta use una parte
de la potencia de su motor para otras funciones, como puede serlo mover o
potenciar otra maquina agrícola.
El resultado final del proyecto es un diseño completo de un prototipo que puede
adherirse a la motocicleta YAMAHA XTZ125 para realizar lo descrito en el párrafo
anterior. Sin embargo, el objetivo macro consiste en poder implementar una
adaptación a cualquier motocicleta común. Para lograrlo aun restan por hacer
distintos trabajos. Los trabajos inmediatos a este proyecto se encuentran a
continuación.
1. Conseguir los elementos mecánicos comerciales seleccionados para el
prototipo.
2. Manufacturar las piezas diseñadas como parte del subsistema de
acople.
3. Ensamblar el prototipo diseñado
4. Realizar pruebas de arranque y estabilidad lateral tanto en el
laboratorio como en terrenos agrícolas. Evaluar el comportamiento de
la motocicleta en los distintos puntos de operación del motor.
5. Realizar una selección mas profunda de aperos agrícolas y diseñar e
implementar una unión de estos a la motocicleta.
6. Bibliografía
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POLITÉCNICA DE CATALUNYA, Barcelona.
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[10] Incolmotos Yamaha, «XTZ 125,» 2020. [En línea]. Available: https://www.incolmotos-
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[11] M. Á. Díaz, «Desarrollo de una Adaptación de Motocicletas para Desarrollar Actividades
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[12] D. A. Yustres, «Diseño de un Toma Fuerza Mecánico para una Motocicleta,» Bogotá,
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[13] R. Northon, Design of Machinery, Mc Graw Hill, 2008.
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[16] R. G. Budynas, Shigley's Mechanical Engineering Design, Mc Graw Hill, 2006.
[17] UNE-EN ISO 286-1, «Tolerancias Dimensionales. ISO 286,» Septiembre 2013. [En línea].
Available:
https://www.edu.xunta.gal/centros/cfrcoruna/aulavirtual2/file.php/186/Tolerancias_Di
mensionales_.pdf.
Agradecimientos
Quiero agradecer a mis padres por siempre haber estado presentes en mi vida
asegurándose de que no me falte nada, a mis hermanos por impulsarme a cada día ser
mejor y a mis amigos por crear recuerdos invaluables conmigo. También quiero
agradecer al profesor Carlos Francisco y a mi compañero Diego Alejandro por haber
hecho de la realización de este proyecto una experiencia muy amena.
ANEXOS
A. Planos de la Base
B. Plano del Brazo de Acople
C. Plano del Ensamble