Proyecto Robot Velocista

Autorizada la entrega del proyecto del alumno/a: Jacobo Moreno vila

EL DIRECTOR DEL PROYECTO Sadot Alexandres Fernndez Fdo.: Fecha: / /

V B del Coordinador de Proyectos Sadot Alexandres Fernndez Fdo.: Fecha: / /

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN ROBOT VELOCISTA RASTREADOR SEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT

AUTOR:

Jacobo Moreno vila MADRID, Junio y 2005

RESUMEN DEL PROYECTO

RESUMEN DEL PROYECTO El objetivo de este proyecto es el diseo y construccin de un microrrobot autnomo Segn la normativa del concurso Hispabot. Esta reunin se celebra cada dos aos en la Universidad de Alcal, y en ella se dan cita diversos constructores de robots principalmente de Espaa, aunque est abierto internacionalmente y tambin acoge a participantes de otros lugares, principalmente de Latinoamrica. El concurso en s rene varias categoras, ya sean: velocistas, rastreadores, laberinto, sumo o prueba libre. En este caso se eligi centrarse en las disciplinas de velocista y rastreador. La primera consiste en recorrer en el menor tiempo posible una pista de caractersticas conocidas marcada por lneas negras sobre suelo blanco sin traspasar otras lneas delimitadoras. La segunda consiste en conseguir que el robot sea capaz de seguir una lnea negra de forma muy variable, y dotarle de la capacidad de elegir en las desviaciones, el camino ptimo para finalizar la competicin en el menor tiempo posible.

Plataforma mecnica

La primera caracterstica que debe de tener en el caso de un velocista es la estabilidad.Al ser por sus caractersticas un tipo de microrrobot que se va a mover a elevadas velocidades combinadas con bruscos cambios de direccin, la estructura tiene que estar pensada para soportar estos cambios y mantenerse inherente a ellos, de modo que no se pierda el control del propio robot en ningn momento. Otra de las caractersticas que debe poseer es la de robustez, la estructura debe estar confeccionada para soportar posibles choques en caso de que el microrrobot se

descontrolase, ya que una rotura de alguna de las piezas puede resultar fatal para el desarrollo ptimo del proyecto. La adherencia es otro punto fundamental del diseo. Para buscar un contacto ptimo, el diseo se realiz buscando adherencia mxima a la superficie del suelo y as evitar tanto el derrape como el despegue del robot en la salida de las curvas. Con esto tambin se busc poder aprovechar al mximo la fuerza motriz, y por tanto la aceleracin, sin perder traccin en ningn momento. Finalmente, la caracterstica ms llamativa del diseo mecnico del robot sea quizs su flexibilidad. Optimizar un robot para ser un velocista es ya de por s una gran dificultad, pero si adems, se piensa adaptar para realizar otra tarea, en este caso rastreador, la dificultad se incrementa exponencialmente. En la disciplina de rastreador la principal exigencia es la posibilidad de que el robot tenga un radio de giro muy pequeo ya que en la prueba se podra encontrar con giros de hasta 90. Buscamos una estructura que an siendo muy estable (4 ruedas) que permitiese un radio de giro muy pequeo. Por esta razn se ide dotar al microrrobot de traccin delantera y direccin delantera (con mucho ngulo de giro). De este modo, se confeccionaba una estructura usual en un automvil de calle, pero absolutamente novedoso en un robot por la dificultad que conlleva su construccin. La clave de este diseo por tanto reside en la inclusin de un diferencial delantero que permite rotar el bloque de direccin en conjunto (motor incluido) para poder realizar as los giros.

Motores y Alimentacin

La traccin es llevada a cabo por un motor de corriente continua y de gama alta. Sus elevadas prestaciones hicieron necesarias una adaptacin de su desarrollo. Se le acopl

un pin que al pasar por la reductora consegua que la relacin del motor quedase 1:4. De este modo se consigue aumentar la fuerza motriz y reducir la velocidad, cosa beneficiosa porque para nuestro objetivo, y dadas las dimensiones del motor, el exceso de velocidad resulta innecesario. La batera utilizada son unas de Ni Cd de 7,2 V y 1900 mA/h. Las razones fueron su reducido tamao y peso, as como la elevada cantidad amperios que puede proporcionar, caracterstica fundamental para afrontar situaciones de alta potencia, por ejemplo, la subida de un puente. Como caracterstica negativa deberamos citar su poca duracin.

Implicaciones electrnicas

Antes de disear la estructura completa del robot, fue necesario un detallado estudio sobre la electrnica que iba a soportar, y ms en concreto, de los elementos electrnicos que iban a ser necesarios instalar. Todos estos elementos electrnicos requieren un espacio fsico en el robot, y por tanto son una parte importante a tener en cuenta a la hora de realizar la estructura, distribuciones de peso, etc.

ENGLISH SUMMARY The aim of this Project is the design and construction of one autonomous micro-robot according to the normative of the contest Hispabot. This meeting is taking place each two years in the Universidad of Alcal and there, different robot builders, mainly from Spain, although it is open to international builders and it also receives participants from other places, mainly from Latin America. The contest has several categories: sprinters, tracker, labyrinth, summo o free trial. The first consists in running in the least time possible a track of known characteristics marked by black lines over white floorwithout trespassing other lines. The second consists in to manage that the robot be able to follow a black line of very variable shape and provide it the ability of choosing in the deviations, the optimum way to finish the competition in the least time possible.

Mechanic platform

The first characteristic that the robot must have in case it is a sprinter is stability. Due to the characteristics, a micro-robot which is going to move at high speed combined with violent direction changes, the structure has to be thought to stand these changes and maintain inherent to them, so the control of the robot is not lost in any moment. Other of the characteristics that it must have is strength; the structure has to be made to stand possible crashes in case the micro-robot loses control, because a breakdown of any of the pieces can be fatal to the optimum development of the project.

The grip is another important point of design. In order to look for an optimum contact, the design was done looking maximum grip to the floor and as a result to avoid the skid and the takeoff of the robot at the exit of the curves. With this, it was tried to be able to

take advantage to the maximum of the propelling force and therefore the acceleration, without loosing drive in any moment. Finally, the most eye-catching characteristic of the mechanical design of the robot may be its flexibility. To optimize a robot to be a sprinter is in fact a great difficulty, but even more, if it is thought to adapt to do another task, in this case the tracker, the difficulty grows exponentially

We look for a structure that being very stable (4 wheels) it allows a very small turn radius. Due to this reason, it was thought to provide forward track and forward steering (with wide turn angle) to the micro-robot. In this way, it was built a usual structure in a normal automobile, but absolutely new in a robot by the difficulty its construction carries. The key of this design is the inclusion of one forward diferential that allows to rotate the direction block as a whole (engine included) to be able to make the turns.

Engines and supply

The drive is done by a continuous current and high performance engine. Its elevated features made necessary an adaptation of its development. UIT the transmisin we reach a 1:4 ratio. So, it is managed to increase the propelling force and to reduce the speed, that is good to our goal, and according to the engine dimensions, the excess of speed is unnecessary. The batteries used are ones of Ni Cd de 7,2 V y 1900 mA/h. The reasons were its reduced size and weight, just as the elevated number of amperes that can provide fundamental characteristic to face high power situations, for instance, the ascent of a bridge. As a bad characteristic, we should comment its short duration.

Electrical implications.

Before designing the whole structure of the robot, it was necessary a detailed study of the electronic it was going to stand, and more precisely, of the electrical components that were going to be needed to install. All these elements require a physical space in the robot, so they are an important part to be considered at the time to do the structure, weight distributions, etc.

DOCUMENTO N1, MEMORIA

INDICE GENERAL

Pg

INTRODUCCINI.- Introduccin al objetivo del proyecto II.- Introduccin a la robtica I.-ESTUDIO MECNICO 1 8

1515 15 25 26 29 31 34 34 35

I.1.- Sistema de direccin I.1.1.- Introduccin I.1.2.- Sistema de direccin del robot I.1.2.1.- Bloque de direccin I.1.2.2.- Sistema de direccin. I.1.2.3.- Montaje final de la direccin. I.2.- Traccin y transmisin del movimiento. I.2.1.- Tipologas de los Sistemas de Traccin. I.2.2.- Justificacin de la eleccin de traccin delantera.

PgI.2.3.- Ventajas y desventajas de la traccin delantera. I.2.4.- Dinmica de la traccin delantera. I.2.5.- El diferencial. I.2.6.- Transmisin directa a las ruedas. I.3.- Ruedas y neumticos. I.3.1.- Las ruedas. Tipos de ruedas. I.3.2.- Sistema de fijacin. I.3.3.- Llantas I.3.4.- Los neumticos I.3.4.1.- Propiedades de los neumticos I.4.- Estabilidad de marcha y seguridad del robot I.5.- Fabricacin de piezas 36 39 43 50 52 52 56 58 59 61 67 70

I.5.1.- Cubo de refuerzo del chasis en la zona de direccin, 70 cubos de soporte de la placa controladora, cubo de anclaje de la varilla de direccin con el mando de direccin.

PgI.5.2.- Fabricacin de la placa de soporte de los CNY70. I.5.3.- Soportes de la placa de adecuacin de los sensores I.5.4.- Sistema de control de altura y cabeceo del eje delantero. I.6.- Montaje final II.- CALCULOS TERICO PRCTICOS II.1.- Ensayos del motor II.1.1.- Potencia y Par Motor II.1.2.- Ensayo en Carga II.1.3.- Caractersticas del motor II.3.- Par en ruedas motrices II.4.- Deslizamiento II.5.- Concepto de rodadura II.6.- Resistencias al movimiento del vehculo 77 81 81 81 83 87 92 94 96 97 71 74 76

PgII.6.1- Resistencia a la Rodadura II.6.2.- Resistencia al aire II.6.3.- Resistencia debida a la pendiente II.6.4.- Resistencia total II.7.- Dimensionamiento del motor II.8.- Aceleracin mxima II.9.- Pendiente superable II.10- Estabilidad II.10.1.- Estabilidad longitudinal II.10.2.- Estabilidad transversal II.11.- Radio de giro II.12.- Posicionamiento y clculo del centro de gravedad III.- CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS IV.- LISTA DE FIGURAS 97 97 99 99 100 102 105 107 107 110 114 116 118 121

PgV.- LISTA DE TABLAS VI.- BIBLIOGRAFIA 126 127

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 1 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT

I.- INTRODUCCIN AL OBJETIVO DEL PROYECTOEl objetivo del proyecto es la construccin de un robot autnomo para competir en los diversos concursos de microrrobtica en las pruebas de rastreador y velocista, en base a las especificaciones y normas del concurso Hispabot que se celebra en la universidad de Alcal de Henares cada dos aos.

El diseo del robot se hizo segn las especificaciones ptimas tanto para la prueba de velocista como para la prueba de rastreador, siendo necesario un diseo muy verstil ya que las exigencias de ambas pruebas son bastante diferentes. Primando en la prueba de velocista la velocidad punta y la posible adaptacin a distintas velocidades mientras que en la prueba de rastreador lo mas exigente es el giro que es capaz de realizar el robot. Todo esto nos propusimos hacerlo sin tener que modificar el robot en nada salvo en el programa que habra que cargar en la placa de control.

Como siempre, en todo diseo, lo primero que se necesita saber es el uso que va a tener el objeto, las condiciones a las que va a ser sometido, y las limitaciones que se van a tener que hacer frente.

La competicin de velocistas consiste en una carrera de persecucin entre dos Rs (abreviatura de microrrobots) en una pista cerrada, comenzando en puntos opuestos y avanzando en el mismo sentido (la pista ser simtrica respecto a dos ejes garantizando que ambos Rs encuentran tramos de pista similares en su recorrido).

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 2 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT El objeto, por tanto, ser la consecucin de altas velocidades de marcha en un recorrido perfectamente preestablecido.

Los Rs han de poseer unas dimensiones mximas de 20 cm. de ancho, 30 cm. de largo y 15 cm. de alto. En cualquier caso deben ser completamente autnomos, es decir, no podrn disponer de ningn tipo de conexin o comunicacin con el exterior, ni se podr operar directamente sobre ellos una vez comenzada la prueba.

El diseo propuesto consta de una pista en forma de 8 con un puente central. El material utilizado es sintasol como base y cinta aislante elstica de color negro y rojo para las lneas.

Figura 1: Circuito Hispabot 2004


Figura 2: Vista lateral del puenteLa pista est formada por una sola calle de 20 5 cm de anchura delimitada por dos lneas oscuras, de 2 0.5 cm de anchura cada una, sobre una superficie clara. El radio de curvatura de la pista siempre ser superior a 40 5 cm. La salida se realizar desde el centro de la pista. Los Rs podrn seguir cualquiera de las dos lneas o navegar entre ambas. Se establecer unos lmites de navegacin interior y exterior a la pista, a una distancia mnima de 20 5 cm de la misma, de modo que si alguna parte del Rs alcanza estos lmites ser descalificado de la carrera en la que est compitiendo.

Las superficies de las pistas podrn presentar pequeas irregularidades (sin tener que ser perfectamente lisa) y la relacin de refractividad entre las zonas claras de la superficie y las oscuras ser inferior a 0.5. Los sensores utilizados en los Rs para detectar la pista debern poder reconfigurarse en situ para evitar posibles variaciones en las magnitudes absolutas de sus parmetros puesto que la pista podr estar iluminada con diferentes niveles de intensidad luminosa, desde muy oscura hasta sobreiluminada (las pruebas podran celebrarse en entornos exteriores con luz solar).

No obstante se anunci la posibilidad de que el circuito del siguiente concurso podra sufrir un cambio de diseo que seria tal y como se muestra a continuacin:


Figura 3: Posible circuito de Hispabot 2006En dicho circuito se ven varios tipos de elementos. El puente no vara, la colocacin de los microrrobots tampoco, pero se aade una dificultad aadida, las curvas de radio de giro reducidas. Dichas curvas se sealizan centmetros antes con unas balizas que serviran para que el robot, si las detecta, redujese la velocidad. En el caso de curvas cerradas (radio de curvatura inferior a 60cm), se colocar una baliza pasiva en el lado exterior de la curva (situada a 2 cm del lmite de navegacin exterior -lnea roja-) a 10cm del comienzo de la curva. La baliza estar formada por un objeto rectangular de color blanco de al menos 15X15 cm.

Esta configuracin puede verse en la figura siguiente (Fig. 4).


Figura 4: Configuracin de las balizasMatizar este punto es importante porque fue un asunto que result determinante a la hora de realizar el diseo, principalmente, de la traccin y de la direccin. Una estructura tipo de traccin trasera y direccin delantera, generalmente, es la adecuada para alcanzar elevadas velocidades, pero no para realizar giros cerrados. Esta fue una de las principales razones por las que se eligi el sistema de control de traccin delantera con direccin delantera.

A continuacin, se incluyen ejemplos de algunos robots en las distintas competiciones. (Fig. 5 y 6).


Figura 5: Ejemplo de Velocistas

Figura 6: Ejemplo de rastreador

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 7 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT En los anexos, en la parte final de este proyecto, se adjuntan las normativas, restricciones, condiciones y todo lo relacionado con las dos competiciones que se han comentando con anterioridad.


II.- INTRODUCCIN A LA ROBTICADe forma general, la robtica se define como:

El conjunto de conocimientos tericos y prcticos que permiten concebir, realizar y automatizar sistemas basados en estructuras mecnicas poliarticuladas, dotados de un determinado grado de "inteligencia" y destinados a la produccin industrial o al sustitucin del hombre en muy diversas tareas. Un sistema robtico puede describirse, como "Aquel que es capaz de recibir informacin, de comprender su entorno a travs del empleo de modelos, de formular y de ejecutar planes, y de controlar o supervisar su operacin". La robtica es esencialmente pluridisciplinaria y se apoya en gran medida en los progresos de la microelectrnica y de la informtica, as como en los de nuevas disciplinas tales como el reconocimiento de patrones y de inteligencia artificial.

La Robtica es una nueva tecnologa, que surgi como tal aproximadamente hacia el ao 1960, desde entonces han transcurrido pocos aos y el inters que ha despertado es superior a cualquier previsin que en su nacimiento se pudiera formular, siguiendo un proceso paralelo a la introduccin de los ordenadores en las actividades cotidianas de la vida del hombre, aunque si bien todava los robots no han encontrado la va de penetracin en los hogares, pero s son un elemento ya imprescindible en la mayora de las industrias.

Podemos contemplar la robtica como una ciencia que aunque se han conseguido grandes avances todava ofrece un amplio campo para el desarrollo y la innovacin y es precisamente este aspecto el que motiva a muchos investigadores y aficionados a los robots a seguir adelante planteando cada vez robots ms evolucionados. S, los aficionados a los robots

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 9 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT tambin juegan un papel importante en el desarrollo de la robtica, ya que son estos los que partiendo de una aficin firme y con sus particulares ideas, al cabo de un cierto tiempo, ha podido desarrollar sus teoras y con ello crear un precedente o mejorar un aspecto que se tena olvidado o no se haba contado con l en un principio.

El auge de la Robtica y la imperiosa necesidad de su implantacin en numerosas instalaciones industriales, requiere el concurso de un buen nmero de especialistas y aficionados en la materia.

La Robtica es una tecnologa multidisciplinaria, ya que esta hace uso de los recursos que le proporcionan otras ciencias afines, solamente hay que pensar que en el proceso de diseo y construccin de un robot intervienen muchos campos pertenecientes a otras ramas de la ciencia, como pueden ser: la mecnica, la electrnica, la informtica, la automtica, la matemtica entre otras muchas que no por no citarlas no sean importantes. Realmente la Robtica es una combinacin de todas las disciplinas expuestas y otras muchas, ms el conocimiento de la aplicacin a la que se enfoca, por lo que su estudio se hace especialmente indicado en las carreras de Ingeniera Superior y Tcnica y en los centros de Formacin Profesional. La Robtica brinda a investigadores y aficionados un vasto y variado campo de trabajo, lleno de objetivos y en estado inicial de desarrollo. Muy importante es acercar esta ciencia al hombre de a pie ya que de este acercamiento depende en gran medida el futuro que esta ciencia promete, hay que desmitificar el mito malo creado en la sociedad de la palabra "ROBOT" a raz de simples pelculas de ciencia-ficcin, los robots no son malvados ni nada por el estilo, los robots son lo que los hombres quieran que lleguen a ser. La palabra robot surge con la obra RUR, los Robots Universales de Rossum de Karel Kapec, es una palabra checoslovaca que significa trabajador, sirviente. Sin embargo podemos encontrar en casi todos

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 10 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT los mitos de las diversas culturas, una referencia a la posibilidad de crear un ente con inteligencia, desde el Popol-Vuh de nuestros antepasados mayas hasta el Golem del judasmo. Desde la poca de los griegos se intent crear dispositivos que tuvieran un movimiento sin fin, que no fuera controlado ni supervisado por personas, en los siglos XVII y XVIII la construccin de autmatas humanoides fabricados con mecanismos de relojera por Jacques de Vaucanson, Pierre Henri-Louis, etc, fortalecieron la bsqueda de mecanismos que auxiliaran a los hombres en sus tareas. Estos autmatas desataron controversias alrededor de la posible inteligencia que pudieran tener estos dispositivos pesados y en la bsqueda de la posibilidad de crear vida artificialmente. Todos estos mitos anteceden a la obra Kapec, en la que se plantea la construccin de robots para liberar a las personas de la carga pesada de trabajo, los conocidos posteriormente como robots industriales.

En el contexto actual la nocin de robtica implica una cierta idea preconcebida de una estructura mecnica universal capaz de adaptarse, como el hombre, a muy diversos tipos de acciones y en las que concurren, en mayor o menor grado segn los casos, las caractersticas de movilidad, programacin, autonoma y multifuncionalidad. Pero en sentido actual, abarca una amplia gama de dispositivos con muy diversos trazos fsicos y funcionales asociados a la particular estructura mecnica de aquellos, a sus caractersticas operativas y al campo de aplicacin para el que se han concebido. Es adems evidente que todos estos factores estn ntimamente relacionados, de tal forma que la configuracin y el comportamiento de un robot condicionan su adecuacin para un campo determinado de aplicaciones y viceversa, y ello a pesar de la versatilidad inherente al propio concepto de robot.

La investigacin en materia de robots est avanzando rpidamente con el desarrollo de las tecnologas de computacin, sensores y actuadores. Actualmente, no slo se realizan

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 11 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT investigaciones en los robots propiamente dichos, sino tambin en todos los campos necesarios relacionados con los robots, como los mtodos de desplazamiento, agarre de objetos, comunicacin entre robots, inteligencia artificial y otras.

Las expectativas sobre los robots para el futuro no se centran slo en robots industriales trabajando en factoras, sino tambin en los robots para uso en emergencias, ayuda y compaa de minusvlidos, personas postradas en cama, etc.

Tambin se espera a los robots mascota como compaeros de los humanos. Desde el punto de vista del entretenimiento, tambin puede esperarse la llegada de robots para jugar y deportivos. Hay un nuevo plan para desarrollar un robot futbolista que pueda destronar al equipo campen mundial en la Robo Cup (en 2050).

En efecto, en el futuro los robots jugarn un papel ms importante en nuestra sociedad. Debemos recordar que los robots son slo herramientas que nos ayudan a ser ms felices, porque los robots no podrn nunca tener el calor de los humanos y los animales.

A continuacin, en las siguientes figuras, aparecen distintos ejemplos de aplicaciones robticas.


Figura 7: Microrrobot

Figura 8: Robot submarino


Figura 9: Robot Asimo

Figura 10: Robot militar artificiero


Figura 11 Robot de Juguete


I.- ESTUDIO MECNICO I.1.- SISTEMA DE DIRECCINI.1.1.- Introduccin

La direccin es el conjunto de mecanismos, mediante los cuales pueden orientarse las ruedas directrices de un vehculo a voluntad del conductor. El mecanismo de la direccin ha de cumplir el requisito de llevar ambas ruedas debidamente orientadas sobre sus trayectorias curvas, pues por ser menor el radio interno que el exterior, la primera tiene que abrirse ms que la segunda, debiendo estar en el centro de los arcos descritos por las ruedas delanteras sobre la prolongacin del eje trasero.

Un sistema de direccin comn consta de los siguientes elementos:

Volante: Permite al conductor orientar las ruedas.

Columna de direccin: Transmite el movimiento del volante a la caja de engranajes.

Caja de engranajes: Sistema de desmultiplicacin que minimiza el esfuerzo del conductor.

Brazo de mando: Situado a la salida de la caja de engranajes, manda el movimiento de sta a los restantes elementos de la direccin.

Biela de direccin: Transmite el movimiento a la palanca de ataque.

Palanca de ataque: Est unida solidariamente con el brazo de acoplamiento.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 16 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT Brazo de acoplamiento: Recibe el movimiento de la palanca de ataque y lo transmite a la barra de acoplamiento y a las manguetas.

Barra de acoplamiento: Hace posible que las ruedas giren al mismo tiempo.

Pivotes: Estn unidos al eje delantero y hace que al girar sobre su eje, oriente a las manguetas hacia el lugar deseado.

Manguetas: Sujetan la rueda.

Eje delantero: Sustenta parte de los elementos de direccin.

Rtulas: Sirven para unir varios elementos de la direccin y hacen posible que, aunque estn unidos, se muevan en el sentido conveniente.

Hay dos sistemas de transmisin dentro de la caja de la direccin:

- Sistema de tornillo sin fin, en cuya muesca seguida se introduce un dedo que se desplaza longitudinalmente sobre el paso de rosca del tornillo cuando gira, el sistema est engrasado sumergido en aceite. El tornillo sin fin puede sustituirse por un husillo de paso de rosca trapezoidal sobre el que se desplaza un dedo de la misma forma anterior.

- El segundo sistema es el de cremallera. La columna de la direccin termina en un pin de dientes oblicuos que se desplaza sobre la barra de acoplamiento en la que se ha practicado una cremallera o corredera a la que desplaza de forma transversal hacia un lado o hacia otro. La barra de acoplamiento es regulable en longitud por medio de dos bieletas que roscan en ella y que por medio de rtulas van unidas a los brazos de acoplamiento que hacen girar las

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 17 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT manguetas sobre las que giran las ruedas. Todo el sistema requiere una serie de cualidades o cotas que ms adelante describiremos.

Figura 12: Tornillo sin fin Figura

13: Sistema de Cremallera

En la actualidad, el sistema ms comnmente usado es el asistido o de servodireccin. Este sistema consiste en un circuito por el que circula aceite impulsado por una bomba. Al accionar el volante, la columna de direccin mueve, solamente, un distribuidor, que por la accin de la bomba, enva el aceite a un cilindro que est fijo al bastidor, dentro del cual un pistn se mueve en un sentido o en otro, dependiendo del lado hacia el que se gire el volante. En su movimiento, el pistn arrastra el brazo de acoplamiento, con lo que acciona todo el sistema mecnico. Vemos que el conductor slo acciona el distribuidor al mover el volante.

Sin embargo, a pesar de la existencia de estos sistemas de direccin, ninguno de ello fue el elegido para su acoplamiento en el microrrobot. Si hubiese sido alguno de ellos por supuesto habra uno de los dos mecnicos, nunca el asistido.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 18 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT El sistema elegido para la direccin consta de un servo que por medio de una varilla hace girar todo el tren delantero en el que est albergado tanto el sistema de control como el sistema motriz.

Figura 14: Ejemplo de Servodireccin

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 19 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT Para la conduccin fiable y segura de un vehculo, ste ha de tener una direccin que rena las siguientes condiciones:

Semirreversible: No debe de volver rpidamente ni ser irreversible. Esto se consigue con el tipo de engranajes.

Progresiva: Significa que si damos al volante una vuelta completa, las ruedas girarn ms en la segunda media vuelta que en la primera. La progresin constante se conseguir por el tipo de engranaje y por la inclinacin de la barra de acoplamiento.

Estable: Una direccin es estable cuando, en condiciones normales, el vehculo marcha recto con el volante suelto. Esto se consigue con las cotas de la direccin.

Las cotas de la direccin comprenden varios ngulos y parmetros. Sus valores, que se logran con una determinada posicin de las ruedas sobre el suelo, contribuyen a obtener los resultados mencionados.

A continuacin se citarn brevemente estas cotas para tener una idea de su funcin e importancia.

a) ngulo de avanceEs el ngulo que forma la vertical del eje en sentido longitudinal y la prolongacin del pivote. Suele ser de unos 2, pero. Este avance proporciona aplomo y fijeza a la direccin, pero debe seguir un compromiso: si es pequeo, la direccin pierde precisin, si es muy grande, se hace dura y de reacciones bruscas, incluso puede llegar a producir "tirones" en el volante. El ngulo de avance y la inclinacin del eje de pivote van ligados: si por diseo la inclinacin del eje es

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 20 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT grande, puede ser necesario reducir el avance para evitar una direccin con mucha tendencia a autoalinearse.

Figura 15: ngulo de AvanceNo se considera necesario hacer ms hincapi en este punto por la razn que el robot, al llegar las ruedas unidas directamente al eje sin la utilizacin de pivotes, no tienen ngulo de ataque, es directamente 0. Adems, el eje de direccin, como veremos, ataca perpendicularmente al eje de giro, y por tanto aqu tampoco existe ningn ngulo como podra existir con la horquilla de una bicicleta.

b) ngulo de salida o pivoteEs el ngulo que forma el eje de articulacin de la mangueta con el plano vertical, visto el vehculo desde su frente. Es modificado por la carga, los neumticos y su presin, la

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 21 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT suspensin o por el hecho de aadir accesorios traseros, como la batera en este caso, o el servo.

Como ocurra en el caso del ngulo de salida, en nuestro robot, su valor vuelve a ser 0.

c) ngulo de CadaEs un ngulo que queda definido entre el plano de una rueda y la vertical al suelo. En la figura podemos ver que la cada es positiva pues la parte ms alta de la rueda sobresale ms que cualquier otra parte del neumtico. Tambin existe la cada negativa cuando la parte de contacto con el suelo sobresale ms que cualquier otra parte del neumtico. Este segundo caso suele darse en coches de gran potencia o de competicin.

Figura 16: ngulo de CadaLos diseos incluyen esta inclinacin al eje de la rueda por las siguientes razones:

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 22 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT - Para reducir el brazo de palanca sin necesidad que el ngulo de salida sea muy grande

- Para que las ruedas se adapten al bombeo de la carretera, contrarrestando el esfuerzo que tiende a separarlas

- Para bajar el C.D.G. de las ruedas, y por lo tanto del vehculo, con las ventajas consiguientes al tomar las curvas.

Todas estas razones eran beneficiosas para el funcionamiento del robot y conseguir que tuviese un paso por curva ms rpido que el inicialmente previsto, ms an cuando el ngulo de salida era 0. Debido a las pequeas dimensiones y a la escasa velocidad que alcanzara el robot no cremos necesario dotar al robot de un ngulo de cada adicional.

d) ngulo de ConvergenciaEs el ngulo definido entre cada una de las ruedas y el eje longitudinal del vehculo, siempre en su proyeccin horizontal. Este ngulo se considera positivo cuando la parte delantera de la rueda est girada hacia el interior del vehculo, y negativo al contrario. El ngulo total de la convergencia se obtiene por la suma de los ngulos de convergencia de cada rueda.

En el avance de toda rueda aparece una fuerza de resistencia al giro que se puede considerar que acta en el centro de la huella de contacto, que genera un momento absorbido por la bieleta de la direccin.

Debido a su elasticidad, particularmente den las articulaciones de los brazos de control de la suspensin, este momento desplaza ligeramente las ruedas hacia atrs. Para contrarrestar esta

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 23 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT deformacin y conseguir que la rueda vaya recta, se adopta un cierto ngulo de convergencia con el vehculo parado.

Figura 17: Convergencia PositivaEn vehculos con traccin delantera, las ruedas delanteras deben tener convergencia positiva.

e) Radio de virajeCon el fin de que las ruedas no sufran arrastre lateral al recorrer una trayectoria curva, es condicin indispensable que cada rueda asuma una posicin perpendicular al radio de la misma. Ello se logra, como ya se ha visto, disponiendo una geometra de la direccin adecuada, donde se posicionan los brazos de acoplamiento de manera que en curva se obtenga un centro comn de rotacin para las cuatro ruedas, en el caso del robot, para las tres ruedas.

Se define por radio de viraje o geometra de giro, la divergencia que llegan a asumir las ruedas en curva y se expresa en dos valores en grados girando las ruedas, considerando una fija en un giro de 20 (la exterior). En la marcha en lnea recta, las ruedas llegan a tener convergencia; pero en cuanto se inicia el viraje, progresivamente toman una posicin divergente, siempre ms acentuada con el aumento del ngulo de giro.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 24 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT La condicin terica que liga la geometra de giro de las ruedas anteriores (directrices) con la posicin de las posteriores, con el fin de no tener un deslizamiento transversal de estas ltimas es, como ya se sabe, que la prolongacin de los brazos de acoplamiento se corte en el centro del eje trasero. El ngulo asumido por los brazos de acoplamiento, es funcin de la batalla P y va C del vehculo. Este ngulo determina el radio de viraje mximo del vehculo, el cual debe ser tal que las ruedas puedan girar describiendo una circunferencia de dimetro cuatro veces mayor que la batalla del vehculo, para de esta forma facilitar las maniobras.

Figura 18: Sistema de direccinComo cabe suponer, el radio de viraje de un vehculo debe ser idntico para los giros en ambos sentidos y para ello es necesario que exista un perfecto centrado del sistema de direccin, entendindose por tal la condicin simtrica perfecta de los rganos de la direccin

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 25 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT con respecto al eje longitudinal del vehculo. Un sistema de direccin est centrado cuando se cumple:

Los brazos de acoplamiento convergen en el centro del eje trasero.

Los ejes longitudinales de las ruedas anteriores son simtricos respecto a las posteriores (cotas A en la Fig. 18).

La palanca de mando de la direccin, biela de acoplamiento y pin de mando, se encuentran en la posicin intermedia de su recorrido para la posicin de lnea recta.

Los tirantes regulables de la barra de acoplamiento son de igual longitud (cotas B en la Fig. 18).

El volante de direccin est dispuesto simtricamente.

Cuando un sistema de direccin est centrado, la geometra de giro es perfecta y simtrica, tanto en giros a derecha como a izquierda. Sin embargo, los golpes o deformaciones sufridos por un vehculo en colisiones pueden variar notablemente estas condiciones de simetra, alterando el comportamiento del vehculo en marcha.

I.1.2.- Sistema de direccin del robot

El sistema de direccin del robot podramos definirlo como giro en bloque. En el captulo anterior se justific la eleccin de un vehculo de traccin delantera con direccin delantera. El problema surge cuando el bloque de transmisin a utilizar (reciclado de un viejo coche de radio control), es para el acople con un eje de traccin directa a rueda. Dicho problema se

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 26 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT refleja en que, si la traccin es trasera pero la direccin delantera, el motor puede permanecer fijo en el chasis, ya que no influye para nada en la direccin.

En nuestro diseo, esta dificultad se hace presente. Al tener que girar el eje delantero por estar ste acoplado directamente con las ruedas, es completamente necesario que el bloque de la direccin gire a la vez que el eje. Este problema podra ser relativamente fcil de resolver, pero la complicacin viene al ver que el motor est su vez va fijado al bloque transmisor. Esto implica que el motor ha de girar tambin con el bloque transmisor siguiendo a la direccin. La complejidad de esto es mxima por varias razones. La primera es la gran fuerza que ha de ejercer el servo para poder mover todo el conjunto. Sin embargo, se eligi uno con la suficiente fuerza para poder realizar la tarea con la suficiente solvencia. La segunda dificultad radica en que al moverse el motor con la direccin, y ser dicho motor de un volumen considerable, se ha de liberar de obstculos todo el robot para que pueda describir su movimiento circular. Esto supone un esfuerzo de diseo, ya no slo espacial, que lo es, sino tambin de clculos para conseguir que la inercia del mismo al moverse no desestabilice el conjunto.

El anlisis detallado del sistema de direccin lo desglosaremos en dos grupos. El primero tratar respecto al bloque de direccin: piezas que lo constituyen, fabricacin de las mismas, montaje, etc. El segundo bloque abordar el control de ese bloque, que, como veremos, podr ser de dos formas.

I.1.2.1.- Bloque de direccin

El bloque director como antes se coment es el conjunto que gira al unsono en un cambio de direccin.


Figura 19: Vista frontal del bloque de direccin con motor incluidoEst constituido por las siguientes partes que a continuacin se enumeran:

- Dos ruedas

- Dos ejes para las ruedas

- Dos hexgonos que transmiten el movimiento a las ruedas

- Dos soportes para los ejes con sus respectivos rodamientos.

- Dos tuercas para la sujecin de las ruedas.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 28 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT - Dos casquillos para el asentamiento de los ejes

- Un bloque transmisor con diferencial y reductora incorporados.

- Dos placas soporte

- Un chasis transversal que le confiere una alta rigidez al tren

- Un soporte de eje de direccin

- Un eje de direccin

- Cuatro tuercas para fijar el eje de direccin

- Un salvaservos que transmite el giro desde la varilla que viene del servo

- Un Cubo para rigidizar la direccin


Figura 20: Vista superior del bloque de direccin con motor incluidoI.1.2.2.- Sistema de direccin.

Una de las caractersticas ms destacables y ventajosas del microrrobot que aqu se disea es su gran flexibilidad para adaptarse a diferentes pruebas sin tener que recurrir a ninguna modificacin en el diseo mecnico.

Para la prueba de velocista, las principales propiedades que ha de tener el sistema de direccin son:

- Solidez para soportar choques, fuerzas, etc.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 30 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT - Rapidez de respuesta, muy necesaria ya que el microrrobot deber responder en un breve periodo de tiempo para no salirse de los lmites y quedar descalificado.

- Precisin, para poder controlarse dentro de un amplio margen de grados.

- Capacidad de giro, porque es muy posible tener que enfrentarse a curvas con un radio de giro pequeo.

Respondiendo a todas estas exigencias, se diseo el sistema que aparece ilustrado en la siguiente figura.

Figura 21: Sistema de direccin

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 31 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT El sistema como se ve consta de las siguientes partes:

- Servo de control: que ser el encargado de recibir una orden de la placa controladora para realizar un giro, ya sea a izquierda como a derecha, de unos grados determinados.

- Barra de direccin: confeccionada en acero debido a su alta resistencia

- Mando de direccin: Se trata de un disco circular perforado anclado al servo. La razn de que est perforado es para darnos la posibilidad de conseguir un mayor o menor giro dependiendo de si el circuito fuese muy virado o por el contrario tuviese pocas curvas. As como darnos la posibilidad de adaptarlo a la categora de rastreador o velocista Esto se ve del siguiente modo. Si la barra se fija a un agujero interior de la pieza, al ser el radio de circunferencia bastante pequeo, el giro que se realiza es bastante grande para una orden dada desde el servo. Sin embargo, esto tiene dos inconvenientes, que el esfuerzo a realizar y soportado por la barra es mayor, y que se pierde bastante precisin a la hora de regular el giro. Si la barra se acopla al agujero externo, se gana en precisin y facilidad de giro, a la par que se pierde cierta capacidad de giro. Sin embargo, una vez comprobado el comportamiento del robot, se decidi que esta ltima posicin era la ms idnea para los requerimientos a los que se vio sometido.

- Cubo: Se trata de un cubo que nos permite conectar el mando de direccin con la barra de direccin y que se ancla al mando de direccin por medio de un simple tornillo

I.1.2.3.- Montaje final de la direccin

Finalmente, una vez terminado el proceso de montaje del bloque y del sistema de direccin, queda la ltima operacin, acoplarlos entre s y a su vez, ambos al chasis.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 32 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT La unin entre ambos se realiza a travs del eje de direccin. Este eje consta de un eje roscado de 5mm al que se le acoplarn todos los elementos deseados por medio de tuercas. Este eje esta fijo al tren delantero al que se le practico un taladro de 5mm de dimetro para hacer pasar el eje. Por medio de dos tuercas que aprietan el volante de direccin se hace ste solidario al eje. Para este propsito tuvimos que aadir unas gotas de un adhesivo bicomponente ya que el volante tenda a deslizar sobre el eje debido a que el material del volante es un polmetro similar al tefln lo que hace que sea una superficie muy deslizante. De la misma manera practicamos un taladro de 5 mm al chasis para que el eje lo atraviese y pivote sobre este. En este punto fue necesaria la fabricacin de un cubo que dotaba en este punto al chasis de una mayor rigidez.

Finalmente, el aspecto final de todo el conjunto de direccin qued del siguiente modo. (Fig. 22)


Figura 22: Montaje final del bloque de direccin


I.2.- TRACCION Y TRANSMISIN DEL MOVIMIENTOEn este apartado se tratar de analizar el movimiento de avance del vehculo y los elementos que lo generan. Se inicia con una descripcin general de los sistemas de traccin aplicables en vehculos con sus diversas variantes, indicando sus ventajas e inconvenientes. A continuacin se presentan los componentes bsicos que producen el movimiento de avance. Se completa con un anlisis bidimensional del comportamiento del vehculo (en nuestro caso, del robot), que permite evaluar las prestaciones reales, en traccin, de un determinado robot.

I.2.1.- Tipologas de los Sistemas de Traccin

En vehculos de dos ejes, existen tres principales sistemas de traccin que se diferencian en funcin del eje al que se transmite el par motor:

- Traccin trasera: donde pueden aparecer diseos con motor trasero o con motor delantero, siendo el eje trasero motriz.

- Traccin delantera: con disposiciones de motor delantero (longitudinal o transversal) que accionan el eje delantero.

- Traccin total: el motor suele ir delante (pocas veces detrs) transmitiendo el par de forma permanente o no a las cuatro ruedas.

Las distintas configuraciones van a determinar el comportamiento dinmico del vehculo, que ser diferente en cada caso.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 35 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT I.2.2.- Justificacin de la eleccin de traccin delantera

En nuestro caso, a la hora de elegir un sistema de traccin se valoraron principalmente las dos primeras opciones, es decir, la de elegir una traccin delantera o una trasera. La eleccin total no fue considerada principalmente por la complejidad de construccin, y porque sus mayores ventajas no eran necesarias para cumplir las necesidades.

Finalmente se opt por la segunda, es decir, la traccin delantera. La principal razn podemos analizarla del siguiente modo. Si queramos que el robot fuese flexible, tena que poder comportarse de buen modo tanto en velocista como en rastreador. Para la prueba de velocista, tal vez, la situacin de la traccin no era determinante del todo, pero sin embargo, en rastreador, era todo lo contrario. Al tener que enfrentarnos a curvas en forma de ngulo, la nica manera de trazarlas y poder seguirlas con un robot de estas caractersticas era usando traccin delantera. Cuando un vehculo tiene traccin delantera, todo el grupo motor transmisin forma un bloque compacto que deja libre la parte inferior de la carrocera, la cual puede rebajarse hasta los estribos, stos pueden suprimirse, y el piso inferior ser plano, sin tener que acudir a los molestos tabiques centrales en puentes que se colocan en algunos automviles, de propulsin trasera, para dejar paso por la parte inferior al rbol de

transmisin. Analizando esto, se comprende de este modo que las curvas se puedan tomar a mayor velocidad y siempre con ms seguridad con la traccin delantera, y que en caso de meterse las ruedas encarriladas en un camino se saca el vehculo ms fcil y con mayor seguridad que se fuese de propulsin trasera. Estas son las caractersticas y ventajas principales del sistema; los giros cerrados.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 36 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT Cuando la traccin es trasera, el esfuerzo de empuje se aplica desde atrs, y en las curvas el vehculo se apoya sobre la adherencia transversal de los bandajes delanteros para ser dirigidos, mientras que con la traccin delantera, el arrastre lo efectan las ruedas de delante, ya orientadas en el sentido de la curva; es decir, sin recurrir a la ya explicada adherencia transversal.

En el siguiente grfico puede observarse de manera ms visual la diferencia entre los dos tipo de traccin.

Traccin trasera

Traccin delantera

Figura 23: Tipos de traccinI.2.3.- Ventajas y desventajas de la traccin delantera

En nuestro caso el motor est colocado transversalmente atacando directamente al diferencial con el pin de ataque, lo que hace mucho mas sencillo el sistema de transmisin Esta

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 37 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT disposicin supone una carga elevada en el eje delantero por lo que el centro de gravedad del vehculo se sita en una posicin bastante adelantada. Con ello se consigue una buena capacidad de traccin, especialmente en firme deslizante, mientras que las principales desventajas de este diseo son la direccin ms dura en parado as como un comportamiento subvirador en el paso por alguna curva. Sin embargo, este ltimo inconveniente es fcilmente corregible retrasando el centro de gravedad si fuese necesario.

Enunciaremos a continuacin algunas de las ventajas del diseo:

La carga sobre las ruedas motrices y directrices es prcticamente constante e independiente del estado de carga del vehculo.

Buena estabilidad en circulacin recta, especialmente en situaciones de baja adherencia, como podra ser el caso de Hispabot.

Al comportamiento subvirador se le aade un efecto autofrenado que permite un control ms sencillo de los pasos por curva.

Permite un diseo sencillo del eje trasero.

Entre las desventajas, se podran destacar las siguientes:

Con motores potentes hay un incremento de par y de las vibraciones sobre la direccin.

El diseo del eje delantero, incluyendo el sistema de direccin, se complica bastante, siendo necesario en muchas ocasiones la utilizacin de juntas homocinticas, pero como veremos posteriormente en el captulo de fabricacin, se consigui solucionar de manera muy positiva.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 38 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT El diseo del tren delantero se hace bastante complicado ya que debe de ser totalmente funcional tanto para dar una buena traccin como para dar una buena direccin. Punto que solucionamos de manera muy satisfactoria con la inclusin de un diferencial. Este punto es bastante innovador en la mecnica de robots dndole al mismo un diseo que suponemos un paso por delante de sus competidores.

Hay un mayor desgaste de los neumticos delanteros, debido a que las ruedas delanteras, fuertemente cargadas, son a la vez tractoras y directrices.

El radio de giro est limitado por el ngulo que permiten las juntas de traccin y la presencia del motor. En nuestro robot la optima colocacin de los elementos nos proporcion un radio de giro extraordinario para un vehiculo en el que las ruedas motrices estn propulsadas por el mismo motor.

Estas son las razones que llevaron a elegir el sistema de traccin delantera, a pesar de la dificultad aparente que supona su instalacin. Dicha dificultad era bsicamente la siguiente: la direccin y la traccin se realizaban sobre el mismo eje, pero el eje no mantena fija su posicin. En este captulo hemos comentado las principales ventajas que este sistema tiene, y que nos hicieron elegirlo para aplicarlo en el robot. Dado que esto no era nada sencillo recurrimos a una solucin alternativa, y es que no solo las ruedas girasen, sino que toda la transmisin girase, bloque motor, ruedas y reductora incluidas, con esto conseguamos un radio de giro mnimo as como reducir el numero de piezas mviles.

En el captulo de direccin abordaremos ms detenidamente como se llev a cabo esta maniobra.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 39 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT I.2.4.- Dinmica de la traccin delantera

Para el desarrollo de la ecuacin fundamental de la dinmica se debera plantear el diagrama del cuerpo libre del vehculo y de las ruedas, considerando un modelo plano el que se van a despreciar los movimientos segn el eje Z y de cabeceo. En la figura que sigue a continuacin podemos observar el diagrama de cuerpo libre para el eje delantero del vehculo, que coincidira en este caso con el del robot.

Figura 24: Diagrama del cuerpo libre para el eje delanteroRxd, Rzd: Acciones del vehculo sobre el eje delantero

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 40 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT Prd: Peso de las ruedas

rcd: Radio bajo carga de la rueda

Mtd, Mfd: Momentos de traccin y frenado

Fzd: Reaccin del suelo en el eje delantero.

Mrd: Masa del eje delantero

ax: Aceleracin del eje delantero, equivalente a la del vehculo

wd: Aceleracin angular de las ruedas

Ftd: Fuerza de traccin delantera

A pesar de esto, el objetivo de este captulo es dar una idea general de cmo funciona el sistema de traccin del robot. Por ello, evitaremos el anlisis fsico y nos centraremos ms en el concepto general de la accin.

Lo primero que haremos ser desglosar el par motor en un par de fuerzas (A y B) de igual mdulo y opuestas, tal y como aparece reflejado en el esquema que aparece a continuacin.


Figura 25: Anlisis de fuerzasSi la adherencia entre el neumtico y la superficie es buena, aparecer una fuerza de rozamiento (D) que contrarrestar la fuerza B. En este punto, slo quedar la fuerza A que comunicar un empuje C al eje, tal y como se puede observar en la figura. El eje a su vez, si est bien acoplado, comunicar dicha fuerza al chasis. Muchas veces distintas situaciones generan que la adherencia no sea la ideal, como puede cuando la superficie no es homognea, es de hielos, o tal vez si el neumtico est desgastado, etc. Si esto ocurre, la fuerza D resultante no puede contrarrestar a B, y se produce un par de rotacin. La primera consecuencia de esto es que el empuje C disminuye su mdulo.

El valor de la fuerza de adherencia D es funcin del peso que recae sobre cada una de las ruedas, del coeficiente de adherencia del neumtico al suelo (que vara con la naturaleza de ste), del tipo de neumtico, de su estado de desgaste y de la presin de inflado; mientras que el valor de la fuerza A depende del par motor y de su posible reduccin.

La conclusin que se puede sacar de todo esto es la siguiente. Para evitar que las ruedas patinen y de este modo el empuje no se vea perjudicado, se debe lograr que la fuerza A sea igual al producto del peso cargado sobre la rueda, por la fuerza D de adherencia al suelo. Esto

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 42 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT no se puede controlar de modo manual, as para que no patine la rueda habr que acelerar el motor lo suficiente para que el par desarrollado d el valor adecuado de la fuerza A, en todo momento y segn las condiciones diferentes de peso y adherencia. El par de traccin mximo que admiten las ruedas de un vehculo es funcin de la fuerza vertical que gravita sobre ellas y d el adherencia disponible en el contacto. Por tanto, si se calculan las fuerzas de reaccin verticales que dan los neumticos tractores y se conoce la adherencia, se puede calcular el par admisible. Este par se compara con el par en las ruedas que puede proporcionar el motor. El menor de ellos es el que limita la capacidad de traccin y es el que determina a su vez la aceleracin mxima para unas determinadas condiciones operativas. Segn todo lo expuesto, puede afirmarse que el empuje transmitido al chasis de un vehculo para lograr su impulsin debe tomar un determinado valor mnimo, lo suficientemente grande como para que esto ocurra (lo que depende del par motor) venciendo las resistencias que se oponen al desplazamiento del vehculo.

La fuerza de traccin no debe en ningn caso sobrepasar a la de adherencia y de ello resulta una limitacin de las caractersticas tcnicas de los automviles, cualquiera que sea la potencia del motor que utilicen, pues por muy potente que ste sea, si el vehculo no tiene peso suficiente para obtener una adherencia adecuada, ser mayor la fuerza de traccin que la adherente y la rueda patinar. Por todo ello, la potencia del motor de un vehculo viene determinada, entre otros factores, por su peso. Del mismo modo, los neumticos guardan relacin con la potencia del motor y el peso del vehculo. Dentro del captulo de neumticos veremos sus implicaciones.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 43 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT I.2.5.- El diferencial

Aplicado a nuestro microrrobot, la inclusin de un diferencial era tarea fundamental. La razn es que, inicialmente, fue concebido como un robot capaz de acoplarse a distintas situaciones (velocista, rastreador, etc.). Esto supona la realizacin, en algunos casos, de giros de hasta casi 90, y radios de giros especialmente pequeos. Al tratarse de un microrrobot de traccin delantera y cuatro ruedas, la nica forma de realizar estos giros era el acoplamiento de un diferencial en el eje delantero. De esta manera esperbamos conseguir una capacidad de traccin y un giro mucho mejores que el de cualquier competidor. El diferencial es un elemento mecnico del automvil que realiza una doble funcin. La primera de ellas, es transmitir la fuerza del motor a las ruedas del vehculo, aumentando as la torsin del tren de mando. Pero este es el objetivo menos importante del diferencial. De hecho, si dichos vehculos slo se movieran en lnea recta, no se necesitaran diferenciales. La fuerza del motor y de la transmisin podra aplicarse directamente a la rueda a travs de un eje de mando engranado. Es por tanto la segunda funcin del diferencial la que dota de esencial importancia a este elemento. Dicha funcin tiene por objeto permitir que cuando el vehculo realice una curva, sus ruedas propulsoras puedan describir sus respectivas trayectorias sin derrapaje sobre el suelo. La necesidad de este dispositivo se explica por el hecho de que al dar una curva el coche, las ruedas interiores a la misma recorren una distancia menor que las situadas en el lado exterior, puesto que las primeras describen una circunferencia de menor radio que las segundas. Por esta razn, la rueda externa patinara y sera muy difcil controlar el automvil. Tambin por esta razn, los neumticos se desgastaran con extraordinaria rapidez. El diferencial reparte el esfuerzo de giro de la transmisin entre los semiejes de cada rueda, actuando como un mecanismo de balanza; es decir, haciendo repercutir sobre una de las dos

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 44 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT ruedas el par, o bien las vueltas o ngulos de giro que pierda la otra. Esta caracterstica de funcionamiento supone la solucin para el adecuado reparto del par motor entre ambas ruedas motrices cuando el vehculo describe una curva, pero a la vez se manifiesta como un serio inconveniente cuando una de las dos ruedas pierde su adherencia con el suelo total o parcialmente. En estas circunstancias, cuando por ejemplo una de las dos ruedas del eje motriz rueda momentneamente sobre una superficie deslizante (hielo, barro, etc.), o bien se levanta en el aire (a consecuencia de un bache o durante el trazado de una curva a alta velocidad), la caracterstica de balanza del diferencial da a lugar que el par motor se concentre en la rueda cuya adherencia se ha reducido. Esta rueda tiende a embalarse, absorbiendo todo el par, mientras que la opuesta permanece inmvil, lo que se traduce en prdida de traccin del coche. Para solucionar este problema se utilizan diferenciales autoblocantes, que tienen como objetivo resolver este importante problema de prdida de traccin. Los diferenciales autoblocantes aaden una serie de ventajas respecto a los sencillos. Principalmente, su uso conlleva una mejora notable de la estabilidad ya que cuando una de las dos ruedas motrices pierde adherencia (se levanta en una curva, pasa sobre una placa de hielo, etc.), no se produce su embalamiento ni, por lo tanto, existe el riesgo que se da en los diferenciales normales de que la rueda, girando loca, haga desviarse bruscamente al recuperar su adherencia normal. En la prctica, esta caracterstica se traduce en una gran seguridad que se nota especialmente en curvas.

Otra de sus ventajas, que deriva de la anteriormente citada es el aumento de adherencia. Cuando la adherencia que ofrece el piso es reducida, con un diferencial corriente el par disponible en las ruedas se halla limitado por la rueda que goza de menor adherencia. En esta

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 45 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT situacin, la rueda con menor capacidad de traccin se embala, mientras que la opuesta permanece inmvil y el vehculo, por lo tanto, queda bloqueado.

Con el autoblocante, cuando estas circunstancias se producen todo el par motor disponible se aplica sobre la rueda de mayor traccin, lo que permite al vehculo una posibilidades mucho mayores de no quedarse atascado. Finalmente, los posibles problemas del diferencial autoblocantes se reducen a la prctica al desgaste de los discos de embrague.

En el grfico que aparece a continuacin (Fig. 26) se refleja, de manera visual, en funcionamiento del diferencial. Como se puede observar, a la hora de trazar la curva, la rueda A tiene que recorrer mucha mas distancia que la rueda B. Esto, como antes se explic, conlleva que la rueda A debe de llevar una velocidad mayor y por tanto dar un mayor nmero de vueltas en el mismo tiempo que B tarda en recorrer su trayectoria.

Figura 26: Funcionamiento del diferencialLa configuracin ms usual de un diferencial es la siguiente (Fig. 27); cada uno de los ejes de las ruedas se une a un pin cnico llamado planetario, que a su vez engrana con el pin O

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 46 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT llamado satlite. Cuando se obliga a rodar al satlite siguiendo una trayectoria circular, los planetarios sern arrastrados por l de manera que cuando las ruedas presenten la misma resistencia a la rodadura, para cada vuelta del satlite siguiendo su trayectoria circular, se obtiene una vuelta en cada rueda. Sin embargo, si bloqueamos una de las ruedas y arrastramos al satlite durante una vuelta, veremos que ste, como consecuencia de estar frenado el planetario P2, se ve obligado a girar sobre su mismo eje, rodando sobre el planetario P2 en su trayectoria circular y arrastrando al planetario Pl a girar a doble velocidad. En la realidad esto no ocurre nunca, pero basta con que una de las ruedas quede algo frenada en su giro, para que la otra se adelante. El efecto as conseguido es el mismo que el explicado anteriormente, y se cumple siempre que la semisuma de las velocidades angulares de cada planetario es igual a la velocidad angular del satlite en su trayectoria circular. Esta disposicin es la adoptada en la prctica en la construccin del diferencial. En la fotografa que aparece a continuacin podemos identificar los distintos elementos citados anteriormente.


O

P2 P1

PALIER

Figura 27: Ejemplo de un diferencial de uso comnComo vemos, el conjunto diferencial consta de una corona que se une a la caja del diferencial por mediacin de tornillos, y en su interior se aloja el mecanismo diferencial, formado por los satlites (en nmero de dos o tres generalmente) y los planetarios. Los satlites se montan sobre el eje que va alojado en la carcasa, de manera que puedan girar libremente en l; pero son volteados por la caja cuando gira la corona.

Engranados con los satlites se montan los planetarios, cuyos ejes de giro se alojan en la corona y caja del diferencial respectivamente, pudiendo girar libremente en ellos con interposicin de casquillos de friccin. A los ejes de los planetarios se unen a su vez los

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 48 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT palieres, que transmitirn el movimiento a las ruedas. El conjunto queda ensamblado como muestra el detalle de las figuras, apoyado en la carcasa del puente trasero por interposicin de cojinetes de rodillos troncocnicos, situados en ambos lados de la corona y caja de diferencial respectivamente.

Figura 28: Ejemplos de diferencialesConstituido as el mecanismo, cuando la corona empieza a girar impulsada por el pin de ataque, arrastra con ella a la caja del diferencial, quien en su giro voltea a los satlites que, actuando como cuas, arrastran a su vez a los planetarios, los cuales transmiten el movimiento a las ruedas hacindolas girar en el mismo sentido y con igual velocidad mientras el vehculo marche en lnea recta; pero cuando toma una curva, la rueda interior ofrece ms resistencia al giro que la exterior (al tener que recorrer distancias desiguales) y, por ello, los satlites rodarn un poco sobre uno de los planetarios (el correspondiente a la rueda interior) multiplicando el giro en el otro (el de la rueda exterior). De este modo, se compensan las prdidas de giro de una rueda con la otra, ajustndose automticamente el giro de cada una de ellas al recorrido que le corresponde efectuar en cada curva. Igualmente, las desigualdades de

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 49 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT trayectoria en lnea recta, debidas a diferencias de la presin de inflado de los neumticos, irregularidades del terreno, etc., son absorbidas por el diferencial como ya enunciamos anteriormente.

A continuacin en la figuras 29 y 30 se muestra el diferencial elegido para construir la transmisin del robot:

Figura 29: Diferencial montado en el robot


Figura 30: Diferencial desmontado en el robotI.2.6.- Transmisin directa a las ruedas

En algunas ocasiones, dependiendo de la posicin del motor, la transmisin es necesaria llevarla a cabo a travs de un rbol de transmisin propiamente dicho. Sin embargo, en vehculos de todo adelante o todo atrs, este rbol no es necesario. En el caso del microrrobot, como es un caso de todo adelante, carece de dicho rbol. Al no existir caja de cambios, la fuerza tendra que ser aplicada directamente sobre el eje. Esto no es posible como es lgico, ya que la velocidad a la que gira dicho motor, el robot sera incontrolable. Es por ello que para

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 51 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT aprovechar mejor su velocidad se le aplica una reductora, que lo que har ser disminuir el nmero de revoluciones de giro a cambio de incrementar el par ejercido.

Una reductora no hace ms que, a partir de una velocidad y par de un motor, generar otra velocidad y par diferentes, en este caso, una velocidad menor y un par superior.

La reductora utilizada consta de dos engranajes rectos en los que uno es el pin de ataque del motor y el otro es la corona exterior del diferencial. El pin de ataque es intercambiable siendo el elegido un pin de 18 dientes. En el captulo de clculos se abordar el par y la velocidad obtenidos con este sistema.

La transmisin a los ejes se lleva a cabo del siguiente modo: Los palieres van sujetos a unos patines que presentan forma circular de tal forma que engranan con los planetarios del diferencial que estn alojados en la carcasa del mismo alrededor de la cual va fija la corona que engranar con el pin de ataque.


I.3.- RUEDAS Y NEUMTICOSI.3.1.- Las ruedas. Tipos de ruedas.

Se define rueda (UNE 26 291 -80) como el componente giratorio que soporta la carga y est situado entre el neumtico y el eje. Las ruedas de los vehculos actuales se componen de tres partes fundamentales:

- La llanta

- El disco o centro de rueda

- El neumtico.

La llanta y el disco de la rueda pueden formar una sola pieza integral, estar unidos o ser desmontables. La llanta es la parte de la rueda que, mediante un perfil adecuado, sirve de soporte al neumtico, y el disco o centro de la rueda es la parte que une la llanta con el cubo de la rueda. El neumtico es la goma en s que recubre la llanta, y que ser la parte sustancial de contacto entre el vehculo y la superficie de adherencia.

Segn las diferentes configuraciones de estos elementos, aparecen distintos tipos fundamentales de ruedas:

a) Rueda de disco: es aquella a cuya llanta se ha unido un disco por medio de remaches, cordones de soldadura, etc., a travs del cual se hace solidario al buje.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 53 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT b) Rueda en dos partes: rueda construida por dos piezas principales que pueden o no ser iguales y que, unidas firmemente por tornillos, forman una rueda cuya llanta presenta dos pestaas fijas.

c) Rueda de llanta desmontable: rueda concebida de tal forma que una o dos llantas desmontables son fijadas al centro de la rueda, que tambin sirve como buje y soporte para el tambor de freno o rotor del freno de disco.

d) Rueda de radios metlicos: es aquella que, mediante una serie de varillas cruzadas convenientemente dispuestas, unen la llanta del neumtico con el cilindro central de rueda.

e) Rueda reversible: construida de tal manera que pueda montarse por cualquiera de las dos caras de su disco para proporcionar un bombeo positivo (va estrecha) o un bombeo negativo (va ancha).

f) Rueda de ancho de va regulable: rueda construida de tal modo que la llanta puede variar de posicin axialmente con relacin al disco de rueda. Las regulaciones pueden efectuarse a mano o mecnicamente por mediacin del vehculo.


Figura 31: Partes de una ruedaEn la ilustracin anterior se pueden observar las partes de la rueda indicadas anteriormente, adems de algunas otras. El disco A se une al tambor o disco de frenos por medio de tornillos, y una llanta B que se une al disco por soldadura generalmente y en la que se monta el neumtico. Los tornillos de unin del disco al tambor de frenos quedan tapados frecuentemente por el embellecedor niquelado C (genricamente tapacubos), que encaja a presin en unas patillas existentes en esta parte del disco o se sujeta a l con un tornillo. Los agujeros para el paso de los tornillos de fijacin, presentan un asiento cnico para el correcto centrado de la rueda en el montaje.

El disco de rueda es de acero estampado, as como la llanta, que lo hace resistente a los golpes accidentales que pueda llevar. En su periferia dispone unos orificios D (Fig. 31), cuyos bordes se doblan ligeramente para aumentar la resistencia de la rueda. Por estos orificios circula el aire que refrigera los tambores o discos de freno. El disco de rueda adopta una forma ligeramente cnica para conseguir una mayor rigidez, aunque esta disposicin est

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 55 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT condicionada a las exigencias de montaje. No obstante, su cara de apoyo y fijacin est desviada ligeramente a un lado del eje de simetra de la rueda, llamndose esta distancia bombeo o saliente. El conjunto de disco y llanta est

protegido contra la corrosin por una capa de laca transparente. Las llantas de rueda suelen ser del tipo de llanta hundida, lo cual facilita el montaje y desmontaje del neumtico. Estn provistas de una pestaa inclinada a su alrededor, que retiene los bordes del neumtico para mantenerlo alojado en su posicin correcta.

La altura de esta pestaa constituye un factor importante que determina la seccin del neumtico a emplear. La anchura de la llanta y su dimetro son las otras dos medidas fundamentales.

En algunos vehculos se montan actualmente ruedas de aleacin ligera (aluminio y magnesio) por la ventaja de su mayor ligereza, aunque su precio es ms elevado. Su constitucin es similar a las de acero estampado y disponen unos nervios formados en el disco asemejando radios cortos y gruesos. Debido a su menor peso con relacin a las de acero estampado, pueden fabricarse de mayor espesor, aumentando as su rigidez y pudiendo ser a la vez ms anchas, en beneficio de una mayor superficie de contacto con el suelo que ello proporciona a los neumticos, por lo que stos pueden ser de gran seccin y dar al vehculo mayor adherencia. Como las aleaciones ligeras son buenas conductoras del calor, la refrigeracin de frenos y neumticos resulta mejorada.

En el caso del robot del proyecto la rueda no se ajusta a ninguna de las anteriormente descritas. Se podra asemejar a la incluida en la figura pero siempre teniendo en cuenta que los materiales no son los mismos. No seria adecuado utilizar acero para el disco de la rueda y por

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 56 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT lo tanto, tanto disco como llanta son de PP (Polipropileno) mucho mas ligero y suficientemente resistente. De la misma manera carece de gran cantidad de elementos que son necesarios en el caso de automviles. Los parmetros que nos parecan ms importantes a la hora de la eleccin de las ruedas fueron los parmetros de acoplamiento, tanto de la rueda al sistema de transmisin como de la rueda al neumtico.

I.3.2.- Sistema de fijacin

Los sistemas de fijacin son muy diversos, dependiendo de muchos factores a su vez como pueden ser el tipo de rueda, el tamao, el tipo de vehculo, tipo de llanta, etc. Generalmente se emplea un complejo sistema basado en dos rodamientos de rodillos o bolas colocados sobre la mangueta, especialmente aptos para resistir empujes laterales; la envuelta exterior de los rodamientos forma el buje de la rueda, o parte interna del cubo al que se fija permanentemente el tambor giratorio del freno; a ste se sujeta el disco de la rueda por los pernos tuercas. En la siguiente figura (Fig 31) podemos observar este sistema. E es el engrasador del pivote y M el mando del freno.

En nuestro robot el sistema de fijacin de la rueda se hizo de un modo muyo mas sencillo. En el caso del eje delantero la rueda quedaba fija entre un hexgono solidario al palier y una tuerca autoblocante, es decir es del tipo sujecin por tuerca central. En el eje delantero el sistema es similar exceptuando la ausencia del hexgono de traccin girando as ambas ruedas giran libremente


Figura 32: Sistema de fijacin tipoVase a continuacin los detalles enunciados:

Figura 33: Vista de la rueda

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 58 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT I.3.3.- Llantas

Una rueda est definida por las dimensiones y caractersticas de su llanta, como se muestra en la figura anterior, donde la cota A indica la anchura interior entre pestaas, y la cota C el dimetro interior de la llanta, medidas stas fundamentales. Otras caractersticas son el perfil B del borde de la llanta y el del asiento E del neumtico, as como el saliente F del disco con respecto al eje de simetra de la rueda y el nmero de agujeros D para su fijacin al buje.

Figura 34: Llanta comnLas dimensiones fundamentales de una llanta suelen venir grabadas sobre ella en forma simplificada, con dos valores numricos expresados en pulgadas y una letra entre ambos. El primer nmero indica la cota A referente a la anchura interior, mientras que la segunda cifra indica la cota C o dimetro nominal. La letra indica normalmente el perfil B del borde de la llanta.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 59 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT Como es lgico, la llanta del robot no corresponde a la explicada de un automvil, sino que su perfil se ha reducido al mximo debido a que las exigencias van a ser mnimas.

I.3.4.- Los neumticos

El neumtico es el nico contacto del piso con el vehculo por lo tanto su funcin es vital para el buen funcionamiento del auto. En la composicin de un neumtico intervienen ms de doscientos materiales distintos. Sin embargo, esto es dentro del sector de la automocin. Los que se utilizaron en nuestro caso a penas llevan uno o dos.

Los neumticos influyen de forma sustancial en el comportamiento dinmico del vehculo; por tanto, deben poseer caractersticas muy diversas que se pueden resumir en las siguientes:

- Caractersticas dinmicas y de seguridad

- Confort

- Duracin

- Coste

- Compatibilidad medioambiental

La disparidad de caractersticas exigidas a los neumticos es difcil de aglutinar en un solo diseo. Por este motivo, desde el primer neumtico hasta los actuales se ha producido una evolucin constante, dando lugar a una diversidad importante de diseos. Todos ellos se pueden clasificar en funcin de diferentes variables; las tres ms utilizadas son:

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 60 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT La estructura de la carcasa

La utilizacin o no de cmara de aire

El tipo de banda de rodadura

A grandes rasgos, las principales partes de un neumtico son:

Pestaa: Conjunto de alambres de acero recubiertos con caucho, que permiten al neumtico adherirse al aro del vehculo formando un solo cuerpo. Evitando que se desmonten.

Carcasa: es un conjunto de telas formadas por cuerdas recubiertas con caucho, que le dan al neumtico su resistencia a la carga y a la deformacin, manteniendo su forma y tamao.

Lateral: Es la zona del neumtico entre la pestaa y la banda de rodamiento.

Lateral de goma: Capa de goma en la zona lateral del neumtico sobre la carcasa. Puede incluir ribetes decorativos o de proteccin y lneas de montaje.

Banda de rodamiento: Es la zona externa del neumtico que va en contacto con la superficie de rodado (camino). Es resistente al desgaste y le proporciona al neumtico, a travs de su diseo sus caractersticas de traccin, frenado y adherencia.

Cuerda: Hebras textiles o no textiles usadas en varios componentes del neumticos, como telas, carcasas, breaker, etc.

Telas: Conjunto de cuerdas, recubiertas de goma.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 61 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT Breaker (Neumtico convencional): Tela intermedia entre la carcasa y la banda de rodamiento.

Cinturn (Neumtico radial): Conjunto de telas entre la carcasa y la banda de rodamiento, colocada en la direccin de giro del neumtico, que restringe la deformacin de la carcasa en una direccin circunferencial.

Figura 35: Partes de un neumticoI.3.4.1.- Propiedades de los neumticos

Correspondiendo con sus caractersticas constructivas y los materiales empleados, los neumticos presentan las siguientes propiedades:

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 62 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT Flexibilidad: Se llama as a la capacidad de deformacin de un neumtico frente a los esfuerzos a que est sometido. La flexibilidad vertical o aplastamiento depende fundamentalmente de la presin de inflado, y en parte, tambin, de la rigidez de la carcasa. Debido a esta flexibilidad la cubierta sufre un aplastamiento con el peso que sobre ella descansa, que determina una disminucin del radio de la misma (radio bajo carga). La flexibilidad transversal caracteriza la rigidez del neumtico frente a los esfuerzos laterales, como puede ser el de la fuerza centrfuga en curvas, y depende fundamentalmente de la estructura de la carcasa, resultando ms rgido un neumtico radial que el diagonal.

Amortiguacin: Fundamentalmente se consigue gracias a la flexibilidad de los flancos de la cubierta, lo cual permite que el neumtico se adapte a las irregularidades del terreno y absorba parte de la energa desarrollada en el choque contra ellas, como pueden ser baches, piedras, etc. La capacidad de amortiguacin crece con la disminucin de la presin de inflado; sin embargo, debe tenerse en cuenta que la mnima presin de inflado admisible est ligada a la resistencia de la carcasa.

Capacidad de carga: Se denomina as al peso que puede soportar un neumtico durante su trabajo. Depende de la presin de inflado, del volumen de aire contenido en el neumtico y del tipo y calidad del material de la carcasa. El aumento de la presin de inflado hace que la capacidad de carga sea mayor, la cual tambin crece con el volumen de aire, que depende de la altura y la anchura de la cubierta.

Capacidad de traccin: Es la resistencia al deslizamiento de la cubierta al aplicar sobre la misma un par de giro, necesario para que el vehculo se ponga en movimiento. El dibujo de la banda de rodadura ejerce una influencia decisiva en la capacidad de traccin de un neumtico.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 63 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT Direccionalidad: Es la capacidad de los neumticos de mantener el vehculo en la trayectoria que les impone el sistema de la direccin. Para cumplir este requisito, es necesario que presenten suficiente resistencia a los desplazamientos laterales. Esta propiedad depende de varios factores, de entre los cuales destacaremos el dibujo de la banda de rodamiento.

Adherencia: Es la resistencia opuesta por la cubierta al patinado en las aceleraciones o frenadas. Igualmente puede considerarse la resistencia a que la cubierta deslice de costado. El valor de la fuerza resistente depende del piso sobre el que apoya el neumtico en cada momento, del material y dibujo de este ltimo. Esta fuerza es directamente proporcional a la carga que gravita sobre la rueda.

Flotabilidad: Es la propiedad que poseen ciertos neumticos por la que pueden circular sobre terrenos blandos, formados por materiales poco compactos, sin hundirse. La capacidad de flotacin se consigue haciendo que la presin transmitida al suelo sea lo menor posible.

Superficie de contacto: Es la superficie sobre la que el neumtico queda apoyado al aplastarse, que tambin recibe el nombre de huella. Vara segn la rigidez de la cubierta, la presin de inflado y la carga.

En general, lo que se busc a la hora de elegir el neumtico adecuado para el robot fue la mejor adherencia posible con la pista de competicin, as como conseguir que la traccin sea mxima en todo momento. Para esto estudiamos el comportamiento de varios neumticos sobre una superficie de sintasol (que es el mismo material que el utilizado en las pistas de los concursos de robtica), y observamos cual era el que mejor se comportaba. El material elegido fue un neumtico de una espuma o esponja de alta densidad que adems de conseguir una ptima adherencia dotaba al neumtico de una gran capacidad de absorber vibraciones o

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 64 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT irregularidades del terreno. Puesto que la traccin del vehiculo sera delantera decidimos colocar delante unas ruedas mas anchas. Para contrarrestar el par necesario que habra que proporcionarle al tren lo que hicimos fue colocar un servo con mucha mayor potencia de los que suelen llevar este tipo de robots. Al ser la potencia del motor ms que suficiente para alcanzar las velocidades requeridas, la superficie de contacto o la flotabilidad no fueron caractersticas decisivas a la hora de tomar la decisin.

El dibujo de la cubierta se realiza sobre la banda de rodadura. Dicha banda es el nico enlace entre el vehculo y la superficie de la carretera. Debe soportar todas las fuerzas longitudinales y transversales debidas a la dinmica del vehculo, permitiendo la traccin, el frenado y el control direccional del mismo. Por consiguiente, las principales funciones de la banda de rodadura son:

Proporcionar la mxima adherencia en cualquier condicin operativa

Asegurar la estabilidad direccional

Prevenir o reducir el acuaplaning o hidroplaneo

Producir un desgaste reducido y uniforme

Presentar baja resistencia al giro del volante en maniobras a baja velocidad

El dibujo de la banda de rodadura influye de forma importante en el comportamiento del neumtico cuando se circula por superficies de baja adherencia. Cuando la baja adherencia es debida a la presencia de una capa de agua sobre la calzada, el dibujo de la banda es fundamental para permitir la evacuacin de la misma, permitiendo el contacto entre el caucho

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 65 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT y la carretera. Sin embargo, cuando se circula por superficies secas y duras (asfalto u hormign seco), el dibujo tiene poca influencia sobre la adherencia, dndose la circunstancia de que neumticos sin dibujo suelen tener mejores prestaciones en ese tipo de firmes.

Por otro lado, el dibujo influye en la asimetra que presenta el neumtico entre la adherencia longitudinal y transversal, siendo ms notable cuando la circulacin se produce sobre firmes de baja adherencia. Otro de los aspectos en los que influye el dibujo es el ruido que se genera en circulacin. Para tratar de minimizarlo, la banda de rodadura se disea dividindola en varios segmentos de diferente longitud, cada uno con su propio patrn de dibujo, asegurndose, de esta manera, que no presente formas repetidas en intervalos iguales.


Figura 36: Algunos ejemplos de dibujosEn nuestro caso cremos que no seria necesario ningn tipo de dibujo puesto que la superficie de la pista iba a estar perfectamente limpia y lisa por lo que optamos por un neumtico de tipo slick. Para preparar el neumtico simplemente lo limpiamos a conciencia consiguiendo as una suficiente adherencia. No obstante para casos extremos se utilizar un aditivo especial que aumenta la adherencia en suelos muy deslizantes


I.4.- ESTABILIDAD DE MARCHA Y SEGURIDAD DEL ROBOTEn este capitulo estudiaremos los factores que influyen en la estabilidad de un vehiculo de cuatro ruedas, en nuestro caso un robot tanto velocista como rastreador. En este apartado de estabilidad estudiaremos tanto la estabilidad en planos inclinados con orientacin longitudinal del robot, con orientacin transversal as como la estabilidad en el paso por curva.

En este anlisis, por tanto, se enunciarn las distintas causas que pueden afectar a dicha estabilidad. Para evitarlas, en el captulo de clculos, se llevarn a cabo las correspondientes medidas que tratarn de solucionar este tipo de inconvenientes.

Se dir que un robot tiene una buena estabilidad en marcha cuando mantiene su trayectoria a pesar de las fuerzas perturbadoras que actan sobre l. Uno de los temas ms estudiados en los ltimos aos por los constructores de vehculos es el referente a la estabilidad de marcha del mismo, tanto en recta, como en curva, o sometido a viento lateral. Para conseguir la mayor estabilidad, el fabricante disea los mecanismos buscando que el centro de gravedad quede lo ms bajo posible con respecto al suelo y procurando dar el ancho de va adecuado a las caractersticas del vehculo. Esto precisamente es lo que se busca para el microrrobot, tema de este proyecto, y a eso va encaminado en estudio mecnico de pginas posteriores.

En el captulo concerniente a las ruedas, hemos analizado diversos factores de stas (convergencia, ngulos, etc.) que intervienen en la estabilidad y seguridad del robot, pero existen muchos ms.

DISEO Y CONSTRUCCIN DE LA ESTRUCTURA MECNICA DE UN 68 ROBOT VELOCISTA RASTREADORSEGN LA NORMATIVA DE HISPABOT Con el mismo fin se disean las suspensiones (muelles, ballestas, barras de torsin, amortiguadores, etc.) con una dureza determinada, para que resultando confortables, tengan la suficiente rigidez para oponerse a los balanceos de la carrocera, en cuyo trabajo son ayudadas por las barras estabilizadoras. Este tema no es de tratar en el nuestro caso, ya que el microrrobot diseado carece de dichos sistemas de amortiguamiento.

El reparto de pesos influye tambin, pues de ello resulta el robot subvirador o sobrevirador y, por eso, se tiende a desplazar la mayor parte del peso

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