Diseo de una bicicleta elctrica con cuadro adaptable

David Poch Vives / Juanjo Blanco Nicols

Ingeniera tcnica industrial esp. Mecnica. Departamento de Ingeniera Mecnica

Resumen

La realizacin del proyecto dispone de dos lneas bsicas:

diseo de un cuadro adaptable y profundizar en el

aprendizaje sobre el funcionamiento del programa

Unigraphics. Por tanto, el proyecto se enfoca en el diseo de

un cuadro innovador con la ayuda del propio programa.

Siguiendo las directrices europeas, optaremos por un modelo

de bicicleta elctrica tipo pedelec, con el cual la asistencia en

los trayectos se regular en el momento de pedalear a travs

de un sensor.

La finalidad es que un modelo de cuadro se adapte a varios

usuarios, a los cuales, les correspondera cuadros de

diferentes tallas. Esto se consigue gracias a la regulacin de

las piezas (perfiles tubulares) que componen la bicicleta.

1. Introduccin

El mismo programa, permite realizar un estudio del cuadro a

travs de la colocacin de cargas y fuerzas. Una vez

obtenidos los resultados de las deformaciones, se valorarn

los diseos de cuadros ms eficientes.

Un anlisis efectuado a diferentes estudios realizados sobre

la poblacin, con el objetivo de observar las necesidades de

la gente, nos lleva a concluir que la bicicleta tendr que

satisfacer los siguientes puntos:

La adaptabilidad del cuadro, altura de la bici y dems medidas, se enfocarn de tal manera que

permita el uso de un mismo modelo de bicicleta a

diferentes usuarios. Durante el transcurso del

proyecto se decidir la fabricacin de un solo

cuadro o en su defecto del nmero de cuadros

necesarios.

Existen varias razones por las cuales la bicicleta elctrica est teniendo un gran impacto en la

sociedad. Una de ellas es el uso de la bicicleta para

la realizacin de desplazamientos cortos, ya sea para

los desplazamientos diarios para ir al lugar de

trabajo, como los realizados para ir al centro de

enseanza por los estudiantes. En este sentido,

hemos de incentivar el uso de la bicicleta elctrica

dotndola de los elementos elctricos necesarios y

adecuados para facilitar los desplazamientos

efectuados por los ciclistas.

Ilustracin. Diagrama sist. hibrido paralelo

2. Materiales

Tabla 1. Prop. de los materiales ms utilizados

Aluminio

Es el material utilizado por excelencia actualmente en la

industria de la bicicleta en la fabricacin de cuadros. El

aluminio por s solo no tiene unas propiedades mecnicas

que le hagan demasiado interesante, es por ello que se

utilizan siempre aleaciones de aluminio. Estas aleaciones se

clasifican en ocho grupos o series. A continuacin

enumeraremos las aleaciones que se usan en la fabricacin de

cuadros:

La serie de aleaciones 2xxx son aluminios aleados con cobre. Mejoran mucho su resistencia mecnica,

pero no se suelen usar en las bicicletas ya que es

difcil realizar formas complejas.

La serie de aleaciones 6xxx son aleaciones con magnesio y silicio. Son cuadros tpicos de esta

aleacin son los 6061 y los 6063. Tienen buenas

propiedades mecnicas y se conforman fcilmente.

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La serie de aleaciones 7xxx estn aleados mayoritariamente con cinc. El ms tpico utilizado

en bicicletas es el 7005. Estos tienen unas

propiedades mecnicas muy buenas, aunque

padecen en el conformado. La serie 7075 conlleva

mucha dificultad cuando se le han de realizar los

cordones de soldadura.

Tabla 2. Caract. mecnicas de las aleaciones

Tratamientos trmicos

Estas aleaciones mejoran sus propiedades al ser tratadas

trmicamente. Los tratamientos trmicos que se la suelen dar

a estas aleaciones son:

T4: Tratamiento trmico en solucin y envejecimiento natural.

T6: Tratamiento trmico en solucin, seguido de la realizacin de un envejecimiento artificial.

Actualmente se realiza prcticamente en la totalidad

de la de las bicicletas de montaa fabricadas con los

aluminios 6061-T6, 7005-T6 y modificaciones de la

7075-T6.

Tabla 3. Tratamientos trmicos

Las aleaciones de aluminio 6061 y 7005 son las ms

apropiadas para la fabricacin de los marcos de las bicicletas.

La decisin de utilizar la aleacin 7005, viene dada a raz de

de que dispone de una mejores propiedades mecnicas, as

como una buena relacin calidad / precio.

Cabe sealar que el problema de los valores de tensin de

rotura que se pueden obtener son tomados del aluminio

slido. Por tanto, cuando se fabrican los marcos de los tubos,

las grandes diferencias de rotura vienen dadas de la calidad

de las soldaduras, las formas de los perfiles y sus grosores,

as como por el diseo de los marcos.

Tabla 4. Ventajas de los materiales

En definitiva, podemos observar como el aluminio presenta

las mejores condiciones para la fabricacin de nuestro

cuadro, es por ello, que decidimos utilizarlo en la fabricacin

de la bicicleta.

3. Funcin y eleccin de los componentes

Destacamos los siguientes componentes:

Transmisin por eje Cardn modelo Beixo

Ilustracin 1. Conjunto Cardn

La transmisin se produce a travs de engranajes cnicos y

un eje de transmisin. Estos engranajes cnicos estn

colocados en un ngulo de 90 grados en relacin entre ellos.

Este sistema lleva la transmisin directa de los pedales a la

rueda tractora trasera, y en lugar de hacerlo sobre la

tradicional rueda dentada del pin, lo hace sobre un

mecanismo de empalme tipo cardn. En contra partida, slo

puede montarse en cambios internos. El sistema Cardn

elegido es de tipo pin libre (bicicleta convencional).

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Ilustracin 2. Cardan Beixo

Cambio de marchas interno

Es el mejor sistema de cambio de marchas que se adapta a

nuestro modelo de bicicleta. Se han convertido en la

actualidad en un estndar para la bicicleta urbana, debido a

aspectos como su bajo mantenimiento y alta fiabilidad, pese

a que disponen de un mayor precio de coste.

Ilustracin 3. Cambio interno NEXUS

Batera

La batera es uno de los componentes fundamentales de una

bicicleta elctrica, pues suministra la energa necesaria para

que el motor desarrolle toda su potencia. Hoy en da se est

imponiendo el uso de bateras de litio. Se escoger la batera

36V 10Ah.

Tabla 5.Voltajes bateras

Motor en el buje, "Brushless"(sin escobillas)

Tambin llamado motor tipo "hub". Es la forma ms

frecuente de encontrar el motor. Facilita mucho el montaje,

reparacin y los costes de fabricacin.

Ilustracin 4. Motor brushless XF36

Adems, cuando est montado en la rueda delantera ofrece

doble traccin y mejor reparto de pesos delanteros / traseros.

Ventajas:

Eficiencia. (Menos perdidas de calor).

Rendimiento. (Mayor duracin de las bateras para la misma potencia).

Peso para la misma potencia.

Conmutacin electrnica.

Mantenimiento. (No tener escobillas).

Relacin velocidad/par motor es casi una constante.

Potencia para el mismo tamao.

Disipacin de calor.

Sensor de pedaleo PAS

Es el sistema ms habitual. Un sensor en los pedales detecta

que se pedalea y activa el controlador. La asistencia suele ser

progresiva, ya que el sistema detecta la fuerza que se ejerce.

Algunos sistemas cuentan con un display o pantalla LCD en

el que se puede regular la asistencia

Controlador

El controlador es el elemento encargado de enviar la potencia

al motor. Los controladores envan al motor impulsos

elctricos

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Horquilla

Horquilla diseada:

Ilustracin 5. Horquilla

En funcin de la relacin de tallas de los usuarios, se han

diseado 3 tipos de horquillas con diferentes medidas, para

que de este modo la bicicleta se pueda regular y adaptar entre

las diferentes piezas que la forman. Los tubos de horquilla se

podrn cambiar de una forma sencilla en funcin del

usuario. Las tres medidas distintas de la horquilla diseadas

para la bicicleta son las siguientes:

Tubo corto: D.ext: 60mm, D.int: 55mm, long: 202,5mm.

Tubo mediano: D.ext: 60mm, D.int: 55mm, long: 302,5mm.

Tubo largo: D.ext: 60mm, D.int: 55mm, long: 402,5mm

Bielas

Ambas bielas se han diseado de forma que puedan ser

reguladas, es decir, permitirn regular la altura del conjunto

del pedal adaptando la posicin segn la configuracin del

ciclista. Por la parte interior de las bielas se colocar un

segundo elemento regulador, en el cual se fijarn los pedales.

Para que ambas piezas queden fijadas, se colocar un pasador

por los agujeros previamente mecanizados.

Ilustracin 6. Biela vista 1

Conjunto de elementos acoplados del pedal

Ilustracin 7. Conjunto pedal

Conclusin

La eleccin de los componentes tiene una gran importancia

para conseguir un correcto funcionamiento de la bicicleta, as

como proporcionar una correcta asistencia al ciclista. Se han

ido diseando componentes con el Unigraphics a modo

orientativo y ensamblndolos en la bicicleta.

En la eleccin de los elementos elctricos, ha sido importante

haber elegido los diferentes componentes con el mismo

voltaje de funcionamiento, garantizando una correcta

relacin entre ellos, as como con la batera. Esta misma ha

sido escogida para un ciclista de unos 80100Kg disponga de la potencia necesaria.

El motor se decide situar en la rueda delantera por las

siguientes ventajas:

- Simplicidad de fabricacin y por tanto menores costes de fabricacin.

- En la rueda trasera se dispone de mayor libertad para instalar el sistema de cambios que se prefiera.

- Aumento de la traccin. La rueda delantera gracias al motor y la rueda trasera gracias al pedaleo del

ciclista.

- Facilidad de montaje/desmontaje de la rueda.

- Repartimiento de pesos entre zona delantera y trasera.

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4. Diseo del cuadro

El cuadro que disponemos a disear, pretendemos que tenga

un diseo innovador, conservando unas caractersticas en

cuanto a ligereza, solidez y rigidez ptimas, a la vez que

damos solucin a la necesidad de disponer de un cuadro de

bicicleta adaptable para permitir su uso a usuarios a los que

se les corresponderan diferentes tallas.

Ilustracin 8. Partes del cuadro

Geometra

Ilustracin 9. ngulos y medidas a tener en cuenta

Tabla 6. Posiciones en la bicicleta

Proceso de conformado por fundicin y moldeo

El proceso de fabricacin que utilizaremos en la fabricacin

de las diferentes partes de la bicicleta ser fundicin por

moldeo, ya que permite fabricar con mayor facilidad las

diferentes piezas que debido a su geometra y diseo con

otros procesos sera ms complicado. Este tipo de fabricacin

resultar muy rentable a la hora de llevar a cabo la

fabricacin de piezas en serie. Especificar que en el tubo

centrador de la horquilla se soldar la unin de las dos partes

que componen la pieza.

Diseo de los elementos 1er esbozo

Comenzamos a disear la bicicleta respetando el valor de los

datos de geometra previamente analizados. A partir del

primer esbozo, se redisearn aquellas piezas o elementos en

los que los resultados de su anlisis nos indiquen que los

datos no son vlidos o consideremos excesivos.

Potencia o tubo centrador de la horquilla

Ilustracin 10. Centrador de la horquilla

Las dos figuras de las que se compone esta pieza, una vez

extradas del molde de fabricacin y soldadas, debern

corresponderse con la imagen superior.

Tubo pedalier

Esta pieza corresponde a la parte posterior de la bicicleta, en

el que irn emplazados tanto los pedales, como la batera, el

eje cardan, el foco de posicin posterior y la rueda trasera.

Ilustracin 11. Tubo pedalier

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Tubo regulacin altura del asiento

Ilust. 12. Tubo calibraje altura asiento 2 diseo

En la parte derecha de la imagen, existe una parte de tramo

de tubo vaco, para que este se fije con el tubo del asiento. En

la parte izquierda, en cambio, se mecanizar el agujero

pasante dentado. Este tramo ser macizo aumentando la

rigidez de la pieza.

Tubo del asiento

Ilustracin 13. Tubo asiento vista superior

Diseo elementos ensamblados 1er esbozo

Ilustracin 14. Vista posicin media

Conclusin del 1er esbozo del cuadro

Durante la realizacin del diseo de las diferentes piezas de

aluminio que componen la bicicleta, nos hemos encontrado

que una vez realizado el diseo de las piezas y analizadas,

estas eran demasiado grandes, es decir, estaban

sobredimensionadas.

Ilustracin 15. Comparacin tubos pedaliers

En la imagen superior izquierda, est representado el diseo

inicial. A la derecha en cambio, se puede observar como una

vez se han realizado las modificaciones, toda la pieza en

general se ha reducido considerablemente, reduciendo el

peso de la bicicleta. Mejoramos aspectos como la agilidad y

facilidad de movimientos para su manejo. Se ha reducido el

ancho de los tubos laterales, as como la parte central del eje

del pedalier.

Diseo de los elementos final

Ilustracin 16. Tubo asiento

Tubo centrador de la horquilla

Ilustracin 17. Tubo centrador horquilla

El agujero dentado central, permitir la colocacin de un

pasador dentado que fijar el tubo centrador de la horquilla

con el perfil tubular del silln. Tambin ser necesario

mecanizar los taladros de en la parte inferior de la pieza, que

permitirn colocar el pasador encargado de fijar la barra

alargadora que se ubicar en la parte interior.

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Tubo regulador de la altura del asiento

Ilustracin 18. Vista tubo regulador

Diseo elementos ensamblados final

Los diseos de las piezas siguientes se fabricarn con los

mismos procesos explicados en el 1er diseo realizado.

Ilustracin 19. Vista lateral

Posiciones de la biela del pedal

Tabla 7. Posiciones biela pedal

Diferentes diseos de bicicletas

Se han realizado 4 tipos posibles de bicicleta, combinando

nicamente dos piezas de la bicicleta.

Ilustracin 20. Modelo n1

Ilustracin 21. Modelo n2

Ilustracin 22. Modelo n1

Ilustracin 23. Modelo n2

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5. Clculos justificativos

Se decidi desde un principio apoyarse en el programa de

diseo industrial Unigraphics NX7, mediante el cual,

veremos reflejado las deformaciones provocadas por las

diferentes cargas a las cuales se ver expuesto el cuadro, y

con el que se reducir el tiempo necesario para observar las

deformaciones provocadas en los diferentes diseos. A partir

de un primer estudio, se redisearn aquellos elementos que

as lo requieran.

El estudio de las deformaciones en las diferentes piezas de

aluminio que compondrn el cuadro se realizarn aplicando

unas fuerzas de 1000N sobre las superficies deseadas.

P = m * g = 100 Kg * 98 (10) m/s2 = 1000N

En caso de querer realizar los diferentes clculos en cuanto al

clculo de los desplazamientos se realizara a partir de la

siguiente frmula:

Se hace evidente de la dificultad de realizar el clculo del

incremento de longitud que se produce en cada una de los

perfiles tubulares sin la ayuda del programa Unigraphics, ya

que las diferentes piezas estn diseadas con varios

espesores, diferentes geometras, etc, lo que provoca que la

realizacin de los clculos sin la ayuda de un programa

informtico sea realmente difcil.

Anlisis del 1er esbozo de cuadro

Anlisis de los resultados:

Ilustracin 24. Fuerzas aplicadas al cuadro

Ilust.25. Desplaza. nodal 1er esbozo, estado final

Anlisis del cuadro correcto

Anlisis de los resultados:

Ilustracin 26. Fuerzas aplicadas en el asiento

Ilust.27. Tubo asiento desplazamiento nodal

Ilustracin 28. Tubo asiento Von-Mises

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Perfil tubular para regular la altura del asiento

Anlisis de los resultados:

Ilustracin 29. Fuerzas aplicadas

Ilustracin 30. Desplazamiento nodal

Ilustracin 31. Valores de Von-Mises

Tubo interior

Anlisis de los resultados:

Ilustracin 32. Tubo interior a compresin

Ilustracin 33. Tubo interior desplaza. nodal

Ilustracin 34. Tubo interior Von-Mises

En este segundo diseo del tubo interior, la mejora realizada

respecto el primer diseo son los nervios situados en la zona

interior. De esta forma se reduce el material necesario en la

fabricacin, mejorando a la vez la resistencia de la barra

tanto a fuerzas de compresin como de traccin.

El valor de fluencia para del aluminio 6061-T6 es de 276

MPa, siendo el resultado obtenido en la prueba 1,558 MPa.

Por tanto el cuadro ser capaz de soportar las tensiones sin

llegar a deformarse plsticamente.

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Conclusin

El valor de tensin mxima de fluencia para el material

6061-T6 ronda los 276 MPa. A partir de este, verificamos

que los valores de Von-Mises que nos ha indicado el

programa se encuentran por debajo de este valor mximo. En

todos los casos comprobamos como los valores se

encuentran por debajo de la zona de fluencia.

Observamos como existe un sobredimensionado de las

diferentes piezas, el cual se acentuara ms en el caso de

utilizar el aluminio 7005-T6, ya que dispone de unos valores

de resistencia mecnicos todava mejores que el aluminio

6061-T6. Por tanto se podran llegar a reducir todava ms

los espesores de las piezas.

Comparativa de pesos de los cuadros

Gracias al primer esbozo del cuadro, podemos observar los

puntos dbiles de este. Observamos cmo el primer diseo

conlleva un peso total que resulta realmente excesivo. An

as, nos es de gran ayuda para realizar un diseo final en el

que el peso resulta finalmente alrededor de los 16,50 Kg,

reduciendo unos 70 Kg de aluminio. El peso final

conseguido es realmente competitivo.

En cuanto al ahorro econmico, se consigue reducir los

costes. El primer diseo, con un total de 84,26 Kg debera

suponer en costes de material unos 3400 euros (siendo el

precio del Kg de aluminio-T6 con proceso de fabricacin

incluido de unos 40,3 euros). El diseo final del cuadro por

el contrario supone un coste de 670 euros.

6. Medio Ambiente

La bicicleta es un medio de transporte con mltiples ventajas

con respecto a otros sistemas de desplazamiento. Un medio

eficiente, limpio y saludable que, en el entorno urbano,

contribuye a reducir el consumo de energa y las emisiones, a

mejorar la fluidez del trfico, a aportar mayor autonoma a

los ciudadanos, a disminuir el gasto individual y familiar en

desplazamientos y a fomentar la actividad fsica y, sobre

todo, a potenciar la convivencia ciudadana al no aadir ruido

ni contaminacin al entorno.

La bicicleta como modelo de transporte lleva asociado una

serie de beneficios desde el punto vista de la sostenibilidad:

No consume recursos energticos no renovables.

Eficiente energticamente.

Cero emisiones de gases invernadero (GEI) y emisiones de contaminantes atmosfricos.

No contribuyen a la contaminacin acstica del trnsito.

No contribuyen a la congestin del trnsito.

Menos demanda de espacio que el coche.

Conlleva beneficios para la salud de la poblacin.

Medio de transporte rpido, especialmente en zonas urbanas, y muy en tiempos de trayectos cortos.

Eleccin del material en la fabricacin

La fibra de carbono como material para la fabricacin de la

bicicleta ha sido descartada desde un primer momento,

siendo la principal causa el fuerte impacto que supone el

mismo sobre el medioambiente una vez concluida la vida til

de la propia pieza ya que no es un material reciclable. Por el

contrario, la eleccin final del aluminio, aun siendo necesario

unos grandes costes de energa para su obtencin, permite la

reutilizacin del material, conservando las propiedades del

mismo.

Reciclaje del aluminio

El reciclaje del aluminio es un proceso mediante el cual, los

desechos del aluminio pueden ser reutilizados en otros

productos tras la vida del primero. El proceso implica

simplemente refundir el material, lo cual resulta mucho ms

barato y consume muchos menos energa que la produccin

de aluminio a partir de la electrlisis de la almina. Debido al

considerable ahorro producido durante el reciclado y a la

sencillez del proceso, el aluminio se empez a reciclar muy

pronto y hoy en da es una actividad normal, tcnicamente

resulta rentable.

Ilustracin 35. N de personas que pueden circular en una

calle de 3,5m en ciudad

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8. Presupuesto

10. Conclusiones

Los conocimientos aportados por la realizacin del proyecto

han sido numerosos. El aprendizaje de la herramienta de

diseo en 3D ha sido muy gratificante pese a la dificultad

que ha conllevado, y los problemas que han ido surgiendo y

que han tenido que ir resolvindose. Se han aprendido

multitud de funciones nuevas desconocidas en un primer

momento al iniciarnos en el programa.

Realmente llevar a cabo el proyecto ha sido una tarea

costosa, en el que se han invertido muchsimas ms horas de

las esperadas inicialmente, ya que planificacin inicial se

quedo corta. Las tareas que se han ido realizando a medida

que se ha avanzado en el proyecto han sido mucho ms

numerosas, ampliando la propuesta inicial en varios sentidos.

11. Bibliografa

[1] Fundamentos de la ciencia e ingeniera de los materiales.

[2] Tratamientos de los aceros. Manual del ingeniero Vol.

XII Ediciones URNO.

[3] Aluminio.org

[4] Directiva 2002/24/CE.

[5] Estudio GESOP 2009 / 2010.

[6] Proyecto pedaggico para secundaria Con bici al instituto.

[7] Pla estratgic de la bicicleta a Catalunya (20082012).

[8] Normativa Europea: Eur-lex.europa.eu.

[9] Annette Muetze, Ying C. Tan. Electric Bicycles. IEEE Industry Applications Magazine.

[10] Quipplan-mobility.com.