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TREN MOTRIZSISTEMA DE FRENADO

SUSPENSIÓNPROBLEMAS EN CARRERA

INFORME PRIMAVERA

TREN MOTRIZ

TREN MOTRIZ / Reglamentación WSC

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Regulaciones WSC

Con respecto al sistema motriz, y hablando especí�camente del motor, Veolia World Solar Challenge no tiene ninguna regulación o limitación en cuanto a las prestaciones o características de cualquier tipo de motor, siempre que este sea eléctrico. Tampoco especi�ca el tipo de transmisión que puede o debe agregarse al tren motriz, por lo que cada equipo selecciona según su conveniencia estos componentes. Las únicas recomendaciones que se deben atender, están relacionadas con los elementos de seguridad, en especial, re�riéndose a lo siguiente:

1. Todos los componentes sometidos a alto voltaje deben protegerse en recipientes y con recubrimientos aprobados por la sección 5 de la UNECE Regulation 7, y estar debidamente etiquetados con los símbolos aprobados de presencia de alto voltaje (parágrafo 2.67 del reglamento).

2. El piloto debe poder aislar a voluntad tanto el panel solar, como la unidad energética principal y motores, permaneciendo en la posición de manejo y sin retirarse el cinturón de seguridad. Todos los dispositivos deben estar protegidos con aislamiento de acuerdo a la naturaleza del mismo y a la norma. (parágrafos 2.68 y 2.69 del reglamento).

3. Debe incluirse un dispositivo de aislamiento igual al especi�cado anteriormente, solo que debe encontrarse en el exterior del vehículo y estar debidamente etiquetado como se sugiere en los apartados 2.70 y 2.71 del reglamento. Debe tenerse en cuenta que este dispositivo debe ser tan que cualquier persona sin experiencia o entrenamiento pueda activarlo en caso de una emergencia.

4. El vehículo, y por ende el tren motriz, debe poder desplazarse en reversa por sus propios medios, y con el conductor en posición de manejo (Parágrafo 2.59 del reglamento).

TREN MOTRIZ / Requerimientos y especi�caciones

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Los requerimientos principales que se tuvieron en cuenta a la hora de diseñar el tren motriz del vehículo y en orden de importancia, son los siguientes:

1. El motor que se utilice en el diseño del tren motriz debe ser eléctrico (aunque no se especi�ca en el reglamento, la naturaleza del evento y del proyecto así lo exige).

2. El motor que se escoja debe aprovechar al máximo los recursos limitados instalados en el vehículo, en cuanto a pack de baterías y panel solar.

3. El tren motriz debe poder llevar el vehículo con su ocupante a velocidad de crucero máxima bajo las condiciones que se le impongan en la competencia. (peso del piloto, y peso neto del vehículo).

4. El tren motriz debe poder cambiar de velocidad a voluntad, inclusive permitirle al vehículo girar en reversa con el conductor en posición de manejo (basado en el parágrafo 2.59 del reglamento y como se especi�có anteriormente).

5. El tren motriz debe dimensionarse para trabajar de forma óptima bajo las limitaciones del pack de baterías y del panel solar instalado, ambos cubiertos por las regulaciones de la carrera.

6. Asegurar la integridad física del piloto por medio de sistemas de seguridad activos y pasivos incluidos en el pack, y como se especi�ca en el numeral 2.67 a 2.71.

7. Asegurar la integridad física del tren motriz, dimensionando adecuadamente los componentes del mismo.

TREN MOTRIZ / Criterios de selección

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Se re�ere a la cantidad de energía eléctrica que se entrega al motor, que se convierte de forma efectiva en energía mecánica. Generalmente se expresa en términos de potencia como la relación que existe entre la potencia de salida del motor con respecto a la potencia de entrada del motor. Se expresa como (1)

Dicha e�ciencia depende principalmente de las pérdidas de naturaleza eléctrica y mecánica del sistema, que son inherentes a las propiedades de los materiales con que son construidos. Los principales tipos de pérdidas que aparecen en un motor eléctrico son las siguientes:

a. Pérdidas resistivas o “Copper loss”. El devanado de cobre que se utiliza en la construcción de los motores, presenta una resistencis eléctrica �nita, proporcional a la sección transversal de las espiras y de las propiedades y pureza del cobre. Dependen directamente de la corriente que �uye a través de las espiras. Se expresan en términos de potencia como (2)

• Pérdidas por Histéresis o “Iron Loss”. Los materiales dentro del motor se

someten constantemente a cambios en el campo magnético que genera el devanado. Los materiales a su vez, se oponen a cambios rápidos en el campo magnético, que evita que la totalidad de campo generado participe en el movimiento del rotor. Estas pérdidas se dan en mayor medida en el hierro del devanado, y se evita utilizando aleaciones especiales de hierro.

• Pérdidas por Corrientes de Eddy. Las corrientes de Eddy son corrientes circulares que se generan en el interior de los materiales sometidos a campos magnéticos alternantes. Dichas corrientes inducidas generan campos magnéticos en sentido opuesto que interactúan con los campos magnéticos de movimiento del motor, anulando parte del mismo y disminuyendo las prestaciones del motor. Se reducen utilizando armaduras y devanados fabricados en laminillas aisladas.

TREN MOTRIZ / Criterios de selección

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• Pérdidas por Escobillas. Se presentan en los motores con escobillas, ya que estos transmiten electricidad al rotor por medio de escobillas de gra�to, las cuales saltan gracias a las muescas del colector de delgas. Durante los saltos, se presentan pequeños arcos eléctricos, en donde hay caídas de voltaje pequeñas.

• Fricción. Compromete generalmente a los retenedores, bujes y rodamientos (fricción viscosa) que soportan rotor y devanado. Es una pérdida que puede minimizarse dependiendo del tipo de cojinete que se escoja.

• Arrastre al viento. Se re�ere al arrastre que generan los elementos internos del motor durante su movimiento (devanado, o campo). También se genera por sistemas de ventilación externos al motor.

Finalmente, la e�ciencia de un motor eléctrico se expresa en (3) como

El motor más e�ciente es aquel que equilibra las distintas pérdidas a favor de la aplicación para la cual se diseñó. Pérdidas por histéresis, corrientes de Eddy o pérdidas por cobre son casi imposibles de eliminar, así que se opta por reducir la fricción de las escobillas, de los rodamientos y retenedores y las pérdidas por arrastre y buscar con�guraciones que permitan un balance entre las demás pérdidas.

5.2.2 Consumo de Corriente y Torque /Voltaje de Operación y Velocidad.

Existe una relación directa entre la corriente y el torque de un motor eléctrico (para este caso de corriente directa). A través de la constante K de motor así:

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TREN MOTRIZ / Criterios de selección

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Dicha constante k depende de la construcción del motor, el número de polos, el número de dientes del devanado, etc.

Las pérdidas del motor expuestas en el apartado anterior in�uyen directamente en el consumo de corriente del motor, así que existe un límite mínimo de corriente para alcanzar un torque deseado.

La Velocidad del motor depende más del voltaje aplicado y del constante Kv del motor. Esta relaciona la fuerza electromotriz (voltaje de alimentación), con la fuerza contraelectromotriz (voltaje de generación). Un constante Kv elevado permite velocidades de rotación superiores. Aunque la velocidad del motor depende también de la frecuencia de disparo de sus fases (velocidad eléctrica de las señales), el voltaje de alimentación debe tenerse en cuenta a la hora de obtener las mejores prestaciones. El constante Kv también depende de la cantidad de polos y dientes del motor.

SISTEMA DE FRENADO

SISTEMA DE FRENADO

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1. Introducción El sistema de frenado para el vehículo solar XUE I está restringido por el nuevo reglamento del World Solar Challenge 2013 en el tema “Brakes”, donde basados en las regulaciones europeas UNECE se regulan los posibles sistemas de frenado; dejando así una gran variedad de opciones en el tema de frenos. Se analizaron diferentes sistemas utilizados en aplicaciones similares y de las cuales seleccionamos tres aplicaciones teniendo en cuenta un estado del arte del sistema de frenado de los equipos participantes en anteriores carreras del WSC.

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1. Reglamento para el Sistema de Frenado Las siguientes normas afectan directamente en el sistema de frenado en la categoría challenger del WSC 2013:

• El vehículo solar debe tener un sistema de frenos de doble circuito como el sistema de un vehículo estándar.

• Los frenos de bicicleta no son considerados con�ables para la competencia. • El vehículo solar debe estar equipado con dos sistemas mecánicos de frenado

independientes, para que en caso de fallar uno de los dos sistemas el otro pueda detener el vehículo solar por sí solo.

• Los siguientes componentes de frenado pueden ser considerados infalibles y deben tener fácil accesibilidad para el mantenimiento.

• Pedal de freno y sus rodamientos • Cilindros hidráulicos y sus pistones • Válvulas de control hidráulico • Cilindros de freno y sus pistones • Palanca de freno y los ensambles de la leva • El frenado no debe causar el derrape del vehículo solar. • La fuerza de frenado mecánico debe ser aplicada por lo menos en dos ruedas del

vehículo solar. • Para los vehículos solares sin frenos anti bloqueo, las ruedas delanteras deben

bloquearse antes que las ruedas traseras.

SISTEMA DE FRENADO

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El vehículo solar debe ser capaz de detenerse en una distancia de (0.1v + 0.0060v²) metros en cualquier velocidad (v) en km/h, el vehículo solar debe lograrlo hasta la velocidad de 100 km/h.

Tipos de frenos Bicicleta Motocicleta Kart

Referencias Shimano SLX Magura 750 MCP Hydraulic

Avid Elixir 9 Brembo XA1K480 Wilwood Dynalite

Cantidad necesaria 2 (por llanta) 1 (por llanta) 1 (por llanta)

Peso 300g aprox 900g - 1100g aprox 680g – 820g aprox

Líneas hidráulicas 1 por unidad 1 por unidad 2 por unidad

Numero de pistones 2 por unidad 4 por unidad 2 por unidad

Capacidad de frenado 200 kg por par Sobredimensionada Sobredimensionada

Tipo Monobloc Monobloc 2 piezas

SISTEMA DE FRENADO

SISTEMA DE FRENADO

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Los tres sistemas anteriores se evaluaron según criterio propio, teniendo en cuenta el nuevo reglamento del 2013, la experiencia en carreras anteriores de Jorge Barrera y las especi�caciones preliminares de XUE I.

• E�ciencia: En este criterio se tuvo en cuenta sistemas de frenado con la capacidad de frenado para detener un vehículo de 400 kg repartidos en cuatro sistemas.

• Peso: En este criterio se buscó los sistemas de frenado más livianos posibles. • Redundancia: En este criterio se buscaron los sistemas de frenado con posibilidad de

redundancia por sí solos. Basados en el estudio del estado del arte se cali�có cada una de las aplicaciones seleccionadas en estos tres criterios, con puntajes de 1 a 3, siendo 3 el mayor y 1 el menor.

Aplicación

Criterios

Motocicleta Karts Bicicleta

E�ciencia 3 2 1

Peso 1 2 3

Redundancia 2 3 1

TOTAL 6 7 5

Tabla de cali�cación de los sistemas de frenos para WSC 2013. Fuente: Elaboración Propia

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SISTEMA DE FRENADO

Se considera que los frenos de karts son la mejor opción para el vehículo solar por ser un sistema de funcionamiento sencillo y con�able, el cual se adapta perfectamente al nuevo reglamento del WSC, es decir, con estos sistemas podremos cumplir la norma de redundancia fácilmente, sin tener que intervenir los caliper, porque estos poseen dos líneas independientes que mueven cada uno de los pistones; adicional a esto se fabricará un soporte para los calipers que permita que el sistema sea �otante en el mismo sentido del movimiento de los pistones. Además estos sistemas permiten modi�caciones para recibir cualquier tipo de disco de freno, ya sea comercial o de diseño propio. Para la veri�cación de tamaños y espacio disponibles se realizó una modelación 3D detallada, basada en planos de los fabricantes.

Modelación preliminar caliper

Wilwood y caliper MCP Fuente: Elaboración Propia

SUSPENSIÓN

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SUSPENSÓN

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1 Introducción

En éste documento se presentará la investigación y selección de la suspensión que se utilizará en el Carro Solar Xue I. Debido a la in�uencia directa que presenta la suspensión en la e�ciencia del Vehículo, la suspensión es un factor clave que se debe escoger tratando siempre de mantener la mínima perdida de energía, ya sea directa o indirectamente. 1.1 Reglamento Para la Suspensión Actualmente en las regulaciones para el evento World Solar Challenge no existe ninguna regla que haga énfasis directo en el tipo de suspensión a utilizar. Sin embargo para el Dynamic Scrutineering es necesario que el vehículo permita cierta estabilidad a diferentes velocidades, es decir, el vehículo debe tener suspensión pero no una referencia o clase en especí�co. 1.2 Condiciones de Frontera (Boundary Conditions) Pese a que no existen regulaciones por parte del evento, es claro que existen ciertas condiciones límite que se debe tener en cuenta. A continuación se listan las consideraciones.

1. La carrera permitida por el fairing está entre 5 y 8 cm. 2. El peso máximo del vehículo será 350kg incluyendo el conductor, sí el vehículo

debe tener 4 llantas, la suspensión debe soportar 90kg + un factor de seguridad de 2.

3. La suspensión debe tener una resistencia a la ruptura de 5G. 4. La geometría de la suspensión debe considerar totalmente el espacio asignado

dentro del vehículo. 5. La vida útil debe ser como mínimo 30 días.

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SUSPENSÓN

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1 Estado del Arte El estado del arte que a continuación se presenta, permite un mejor entendimiento de la selección de los tipos de suspensión utilizada y permite encontrar patrones comunes de selección.

Collage estado del arte llantas. Fuente: Elaboración Propia

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SUSPENSÓN

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Con base en lo analizado en el estado del arte se crea una lista de posibles suspensiones y se muestra a continuación. 1 Lista de Suspensiones NOTA: Los shocks de bicicleta están diseñados para soportar bicicletas con pasajeros de hasta 120kg a 80Km/h y en terreno escabroso, es decir, tienen una aceleración de trabajo continuo de 3G a 5G, lo que hace tentativo y absolutamente posible la selección de un shock de bicicleta.

SISTEMA DE FRENADO

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SUSPENSÓN

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X Fusion H3 Shock Product Description

• Power Valve Adjustable II damping system

• Bottom out control • Light Weight Design (apr. 320g) • Optimized air sleeve for linear

stroke • Laser Engraved design • Ball bearing opinion • Externally adjustable rebound

damping • Multi-Circuit damping • Nitrogen charged IFP • In�nitely adjustable air spring • Available lengths 215mm/63,

222mm/63

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SUSPENSÓN

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1 Evaluación Como se explicó anteriormente existen unos factores claves que deben cumplirse, por lo que los criterios de selección se arán con base en el cumplimiento de tales factores y los bene�cios adicionales que pueda brindar (se obvia el sistema de �otación). Para ello se dividió la selección en 3 grupos: Solo aire, 2 Fluidos, Spring. (Las suspensiones con resorte no se discriminan las de solo aire de las 2 �uidos, pues la precarga del resorte impide impactos tales que produzcan intercambio de �uido entre cámaras.

Solo Aire 2 Fluidos Spring Rock Shox Vivid Air R2C Fox RP23 Fox DHX RC4 Fox DHX Air 5.0 X Fusion H3 Rock Shox Vivid R2

Nota 2: La marca Specialized no se tiene en cuenta debido a que su tecnología de Shocks es comprada a Fox, al igual que lo hacen muchas otras marcas.

1.1 Solo Aire Los sistemas solo aire se presentan como opciones tentativas por 2 factores principalmente, trabajan perfectamente en terrenos poco escabrosos como lo es asfalto y en caso de descarga se pueden cargar fácilmente con aire lo que facilita su manutención y disminuye inconvenientes en caso de descarga. Comparando las 2 versiones presentadas, el Shock Fox DHX air 5.0 presenta un coating desarrollado por Fox que disminuye el desgaste del bastidor lo que minimiza las probabilidades de daño o fugas por ajuste. Éste factor ubica a Fox como mejor alternativa que RockShox.

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SUSPENSÓN

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1.1 2 Fluidos El desempeño de los Shock 2 �uidos es inigualable en terrenos escabrosos, pues tanto el nitrógeno como el aceite tienen tamaños de partícula que impiden que se presenten fugas fácilmente, sin embargo, en caso de intercambio de �uidos entre cámaras el shock revierte su efecto y su desplazamiento se anula, efecto que no ocurre en el caso de los shocks solo aire. Ésta debilidad ubica a los shocks 2 �uidos como última opción. Comparando las 2 versiones presentadas, el Shock X Fusion H3, permite un ajuste in�nito de la precarga del resorte de aire, propiedad que lo posiciona como mejor opción, sin embargo es importante mencionar que a mayor precarga, mayor presión �nal y mayores posibilidades de intercambio de �uidos entre cámaras. Lo que hace que ésta opción sea un punto delicado sobre todo cuando se manipula por personas inexpertas. 1.2 Spring Los Shock con resorte son los que permiten una mejor con�guración de precarga y son los que más resistencia y carrera tienen. La presencia del resorte disminuye el stress del �uido dentro de la cámara y a su vez evita la descarga temprana. Son la mejor opción principalmente en cuestión de seguridad, sin embargo tiene casi el doble del peso de los solo aire y aunque regularmente se presentan con sistemas de 2 �uidos su amortiguación no es tan suave como los 2 �uidos o solo aire. Comparando las 2 versiones presentadas, tanto el Fox DHX RC4 como el Rock Shox Vivid R2, ambos muestran características muy similares, sin embargo existen 2 particularidades en cada uno. Por un lado el shock DHX RC4 tiene la tecnología patentada kashima coat que alarga la vida útil y por otro lado el shock Vivid R2 tiene un ajuste de �ujo dual que permite una mejor personalización de la forma como se reduce el impacto. Con base en la hipótesis general del proyecto en donde los ítems se seleccionan estrictamente por sus aportes de e�ciencia y desempeño y no confort, se destaca el Shock Fox DHX RC4 como mejor opción.

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SUSPENSÓN

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1 CONCLUSION Con base en el análisis hecho, la visita al almacén especializado en bicicletas de Downhill Cycleplanet donde el técnico de mantenimiento a suspensiones Carlos Escobar y catálogos y manuales de usuario de las marcas y referencias presentadas; se concluye que las 3 mejores opciones son:

1. Fox DHX Air 5.0 (Solo aire) 2. Fox DHX RC4 (Spring) 3. Rock Shox Vivid R2 (spring)

La mejor opción del anterior resultado se determinará con pruebas de resistencia y desempeño.

MECÁNICAEN CARRERA

TREN MOTRIZ / Problemas

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Fotogra�a: Andrea Escobar

En las pruebas en pista se pudo solucionar varios problemas que ayudaron a una mejor e�ciencia en la carrera, estos permitieron un mejor rendimiento.

TREN MOTRIZ / Problemas

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Se presentaron algunas di�cultades en la parte mecanica, talescomo:

calibracion de los frenos: las mastillas traseras no acentabantotalmente sobre el disco, entonces se desgastaba el espesor del disco y ya no se tenia mas frenos traseros.

Ajuste de la amortiguacion: se levantaba un poco mas para que el angulo de ataque fuera el adecuado.

Wheelspads: Rosaron con las llantas del carro en algunos momentos, por lo cual se perdio e�ciencia.

Tuerca conica: Se a�ojaba con el movimiento y vibracion del vehiculo solar.

Rodamientos: Desgaste en el primer dia de carrera.

Tapas aerodinamicas: No funcionaron en carrera.

TREN MOTRIZ / Problemas

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Fotogra�a: Andrea Escobar

El tercer dia de competencia hubo un problema en el cual los wheelspats causaron rozamiento con la llanta y daño la banda de rodadura. Nuevamentehubo un problema con la llanta el 4 dia con una tuerca que hizo que la llantase cayera. Gracias a la organizacion de todo el equipo se pudieron solucionarciertos detalles y de esta manera continuar en el World Solar Challenge.