Participación de la sección ASME-SOMIM UMICH en el

HPVC Latinoamérica 2010 de ASME

Danerick Lemus Vargas

Rogelio Aguilar Torres

ABSTRACT

El presente artículo pretende desarrollar la secuencia completa de la participación de la

sección ASME-SOMIM UMICH en el Human Powered Vehicle Challenge Latinoamérica

2010, realizado en Porlamar, Isla Margarita, Venezuela del 17 al 19 de Septiembre. El

equipo estuvo conformado por Rogelio Aguilar Torres, Enrique Fraga Ramos, David

Guerrero Porras, Carmen Lizbeth Huerta Ruíz, Jorge Hernández Murillo, Danerick Lemus

Vargas, Luis Miguel Ponce Herrera y Eddymier Sánchez Rojas, quienes diseñaron y

construyeron su vehículo llamado “Zorro” con el que obtuvieron el segundo lugar global,

posicionando por primera vez a una universidad mexicana en uno de los primeros lugares

en competencias de la ASME. Se detalla información acerca del diseño, la manufactura y

finalmente la competencia.

ABSTRACT

This article aims to develop the complete sequence of the participation of the ASME-

SOMIM UMICH section in the Human Powered Vehicle Challenge Latin-America 2010,

realized in Porlamar, Margarita Island, Venezuela, from 17th to 19th September. The team

was conformed by Rogelio Aguilar Torres, Enrique Fraga Ramos, David Guerrero Porras,

Carmen Lizbeth Huerta Ruíz, Jorge Hernández Murillo, Danerick Lemus Vargas, Luis

Miguel Ponce Herrera and Eddymier Sánchez Rojas. The team designed and built their

vehicle called “Zorro” with which places second overall, placing at first time, a Mexican

university on the first places in competitions of the ASME. Below is detailed information

on designed, manufacturing and finally the competition.

INTRODUCCION

La ASME (American Society of Mechanical Engineers) organiza anualmente competencias

de diseño a nivel internacional, una de ellas es el Human Powered Vehicle Challenge

(HPVC) y en su edición 2010 Latinoamérica, tuvo lugar en Porlamar, Isla de Margarita,

Venezuela. EL HPVC consta de diseñar un vehículo de propulsión humana, capaz de

cumplir con algunos puntos predefinidos de la convocatoria, realizar los análisis

computacionales y experimentales necesarios para demostrarlo. Sin embargo, la

competencia no se limita al diseño, sino que también se llevan a cabo pruebas de resistencia

física con el fin de comparar el funcionamiento real de los vehículos participantes. La

sección ASME-SOMIM UMICH de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la UMSNH

tuvo el honor de, no solo representar a la Universidad, sino a México en esta competencia

internacional que se llevó a cabo en Septiembre del 2010.

El HPVC es una competencia que se ha llevado a cabo desde el 2008 en su versión

Latinoamerica, teniendo como participantes a las universidades del Distrito I, es decir,

Centroamérica y Sudamérica, sin embargo al ser una competencia Latinoamericana México

es siempre invitado a participar, siendo este del Distrito E. La importancia de la

participación de la sección ASME-SOMIM UMICH se basa en posicionar a la Universidad

Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, como una universidad de calidad y competitiva a

nivel internacional, así como la representación de México en un competencia de ingeniería

a nivel estudiantil.

Un vehículo de propulsión humana (HPV), es cualquier vehículo impulsado

exclusivamente por la fuerza muscular del ser humano. La bicicleta reclinada es un tipo de

bicicleta en la que el ciclista adopta una posición más cómoda pero también más

aerodinámica, por lo que en terreno llano o favorable es más veloz que la bicicleta clásica.

En las pendientes en ascenso dependerá sobre todo del peso ya que a bajas velocidades no

le permiten hacer valer su ventaja aerodinámica.

EL DISEÑO.

El objetivo es diseñar y crear un vehículo para competir dentro de la categoría unrestricted,

para lo cual el equipo se decidió por un vehículo triciclo lo suficientemente seguro para el

usuario que le permita al mismo, alcanzar mayores velocidades que las que se lograrían con

una bicicleta normal. La estructura del chasis debe poder soportar fuerzas por impactos de

determinadas magnitudes y debe tener un nivel aerodinámico importante. El vehículo

también deberá ser lo suficientemente práctico para el usuario y lo bastante estético para

lograr llamar la atención de posibles compradores.

Disponer de tres ruedas hace más estable al vehículo, a velocidades normales no existe

riesgo de vuelco y es más cómodo para largas travesías. Aunque en estos vehículos se

puede conseguir fácilmente altas velocidades, no son interesantes por su rapidez. A mucha

velocidad, tomar una curva puede ser algo peligroso, pues tienen más riesgo de vuelco que

los de dos ruedas, cada curva obliga al usuario a frenar y después tener que acelerar.

A cerca de los criterios de diseño, el chasis del vehículo debe ser lo más liviano posible y a

la vez lo más fuerte estructuralmente, para ello, el aluminio es el mejor candidato. La

carrocería es un requisito para la competencia, por lo que debe ser estrictamente

aerodinámica y estéticamente atractiva. Esta no debe reducir el campo de visión ni debe

ocasionar molestias al usuario, para efectos de control del vehículo. Por supuesto, el peso

de la carrocería debe reducirse al mínimo. Con respecto a diseño ergonómico, el asiento

deberá ser de un material cómodo, resistente y ligero. El ángulo de inclinación del asiento,

juega un papel importante en el desempeño físico del usuario, al ser éste dentro de un rango

de 20º a 70º (del respaldo, respecto a la horizontal), ya que ésta medida influye en el campo

de visión como en la eficiencia de la potencia transmitida al vehículo. Para la seguridad del

usuario, debe considerarse un sistema de protección antivuelco, lo más sencillo y funcional

posible, debido a que cualquier accesorio adicional representa un mayor peso. Se debe

incluir un cinturón de seguridad, que basados en el estado del arte, cuatro puntos es la

mejor y más práctica opción, debido a que en situaciones de accidente, este tipo de cinturón

mantiene el cuerpo del usuario en el asiento con mayor ventaja, que uno de dos o tres

puntos.

Otros sistemas fundamentales a desarrollar, son la transmisión, dirección y frenado. El

diseño de la transmisión del vehículo debe hacerse en base a las partes y accesorios

disponibles para bicicletas comerciales, para una fácil adquisición y asegurar un

mantenimiento semejante al de estas. La dirección del vehículo debe ser lo suficientemente

sensible para el control del usuario, pero también debe ser capaz de mantenerse en

dirección en línea recta por 30.5 m., sin usuario abordo. La dirección debe alcanzar un

radio de giro de 8 m. Con respecto a los frenos, el vehículo debe frenar en un tramo de 6

m., desde una velocidad aproximada de 24 km/hr. Al ser un vehículo de tres ruedas, el

estado del arte nos indica que es conveniente hacerlas frenar todas, estudiando como

mejores opciones los frenos de disco para la parte delantera y V-brake para la parte trasera.

Las características adicionales del vehículo, deben justificarse por sí mismas y no

representar solo una carga adicional y mucho menos interferir con el desempeño físico del

usuario. En caso de que estas características sean ajustables según las circunstancias del

usuario, debe existir un mando de control sencillo y al alcance del mismo.

El siguiente paso, fue la presentación de algunas propuestas de diseño:

Propuesta A: Este primer prototipo está enfocado para el transporte de dos usuarios con

una disposición de cuatro ruedas y una carga adicional en la parte trasera. El vehículo

recibiría la potencia de dos personas, transmitida a las ruedas traseras, mientras que la

dirección estaría a cargo de una de ellas. La estructura cuenta también con un sistema anti-

volteo muy completo,

cubriendo por completo

la seguridad de los

usuarios ante un

impacto en cualquier

dirección. La idea de

transportar cargas

considerables, está

enfocado para un uso

urbano.

Propuesta B: Prototipo de forma del chasis simple, con espacio para el asiento del

usuario y la instalación de las tres ruedas. Dos de ellas forman la dirección y una trasera la

tracción. El chasis estaría conformado por tubos de aluminio 6063, de un diámetro

aproximado de 1 pulgada. Con respecto a la seguridad, el chasis dispone de un arco en la

parte superior que protege la cabeza parcialmente a un ángulo de 12º con respecto a la

vertical.

Propuesta C: Este modelo presenta una forma similar al anterior, con respecto a la

disposición de las ruedas, sin embargo, la diferencia radica en la protección al usuario. El

asiento se instala al chasis en la parte inferior y es reclinado a un ángulo de 50º. El arco que

presenta como portección al usuario, consta de cuatro tubos salientes que protegen por los

costados. Posee menor longitud total de tubo, siendo estos de un diémetro igualmente de 1

pulgada.

Propuesta D: El tercer prototipo, es en realidad una combinación de los anteriores,

destacado por mejorar el sistema de protección al usuario de la propuesta C, con un cuadro

en el respaldo y la protección a la cabeza de la primera propuesta. Por lo tanto se observa la

supresión de los tubos salientes y con terminación abierta indeseable del modelo anterior.

La selección de la propuesta se realizó mediante el método “Proceso Analítico Jerárquico”

(AHP), la cuál es una técnica usada para la toma de decisiones con atributos múltiples.

Permite la descomposición de un problema en una jerarquía y asegura que tanto los aspectos

cualitativos como cuantitativos de un problema sean incorporados en el proceso de avaluación,

durante el cual la opinión es extraída sistemáticamente por medio de comparaciones entre

pares. En el caso de este proyecto se usó esta escala:

1- Igual importancia

3- Importancia moderada de uno sobre el otro

5- Esencial y fuerte importancia

7- Importancia muy fuerte

9- Importancia extrema

2,4,6,8 - Valores intermedios

C1: Tamaño y

apariencia

A B C D Peso

A 1 1/8 1/9 1/8 0.03835

B 8 1 1/3 2 0.28552

C 9 3 1 1/2 0.36014

D 8 1/2 2 1 0.31598

C2: Manufactura

y ensamble

A B C D Peso

A 1 1/7 1/8 1/7 0.00544

B 7 1 1/3 1/2 0.02518

C 8 3 1 1/2 0.29081

D 7 2 2 1 0.67855

C3: Practicidad

y Servicio

A B C D Peso

A 1 1/3 1/3 1/3 0.10157

B 3 1 2 1 0.36238

C 3 1/2 1 1/2 0.17365

D 3 1 2 1 0.36238

C4: Seguridad A B C D Peso

A 1 4 4 3 0.56864

B 1/4 1 1/2 1/3 0.00900

C 1/4 2 1 1/3 0.13803

D 1/3 3 3 1 0.28432

Criterios C1 C2 C3 C4 Peso

C1 1 1/4 1/2 1/4 0.09509

C2 4 1 3 1/2 0.35400

C3 2 1/3 1 1/3 0.05026

C4 4 2 3 1 0.50063

Matriz de

decisión

A B C D

C1 0.09509 0.03835 0.28552 0.36014 0.31598

C2 0.35400 0.00544 0.02518 0.29081 0.67855

C3 0.05026 0.10157 0.36238 0.17365 0.36238

C4 0.50063 0.56864 0.00900 0.13803 0.28432

Ponderación final 0.29535 0.06820 0.21502 0.43080

Interpretando los resultados que arrojan las matrices del proceso analítico jerárquico, en

base a las calificaciones otorgadas por el equipo de diseño, podemos apreciar, que la

propuesta D, es la que mejor cumple con nuestros requerimientos, por arriba de la

propuesta A. Por lo tanto la propuesta D se convirtió en nuestra base de diseño.

Se requiere analizar también la relación de calidad a la que se puede aspirar en base a los

recursos presentes. El Despliegue de la Función de Calidad (Quality Function Deployment

– QFD) es un método de diseño de productos y servicios que recoge la voz del cliente

(requerimientos) y la traduce, en características de diseño y operación, ayudando a

satisfacer las demandas y expectativas del mercado, ahorrando tiempo y costos, logrando

así la mejora continua y poder así ofertar un producto o servicio que cumpla con los

estándares de calidad necesarios y características deseables elevando la productividad y

rentabilidad en una empresa.

En nuestro caso, el análisis e interpretación de información, los resultados concluyeron que

las características del cliente en nuestro modelo son la durabilidad, rapidez, estética,

confortabilidad, seguridad e innovación en el diseño, correlacionándolos con las

características técnicas de diseño como son el tamaño y apariencia, manufactura y

ensamble, practicidad y servicio y por supuesto, la seguridad.

DISEÑO PARA LA MANUFACTURA DEL CHASIS.

Se consideró utilizar tubos de aluminio 6063 estructural T6 Cédula 40, ya que posee

características ideales para el uso que se le va a dar. El aluminio 6063 es un material muy

utilizado en la fabricación armaduras que son sometidas a cargas importantes atendiendo la

necesidad de ser ligeros como por ejemplo los cuadros de bicicleta. Para ensamblar el

chasis, se debe utilizar soldadura TIG (Tungsten Inert Gas) o MIG (Metal Inert Gas), la

diferencia entre ambas radica en la calidad de cordón siendo el proceso TIG más limpio y

de mejor calidad. A continuación, algunas características físicas del metal:

Características Técnicas

Peso específico gr/cm! 2.7

Carga de rotura N/mm" 220

Límite elástico N/mm" 170

Alargamiento % 14

Módulo de elasticidad N/mm" 70000

Dureza Brinell HB 65

Diseño para la transmisión. Se ha procurado que la selección de partes que componen la

transmisión de potencia, estén dentro del mercado de accesorios para bicicletas, pedales,

cadenas, estrellas y frenos. Se ha diseñado para alcanzar 18 velocidades. La disposición de

la misma se puede apreciar en la siguiente figura. Las bielas delanteras poseen 2 pasos en

su multiplicación con 50 y 34 dientes respectivamente.

Diseño de la dirección. Se requiere de un radio de giro de 8 metros, sin embargo, se ha

decidido disminuir el radio a 6 metros, para lo cual, el diseño de la dirección, se

fundamenta en un cálculo sencillo, función del radio deseado a virar (6000 mm), distancia

entre la rueda trasera y las ruedas de dirección (1100 mm) y la distancia entre las ruedas y

el eje del vehículo (300 mm).

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Para efectos prácticos, el ángulo lo podemos redondear a 11º, por lo que podemos concluir

que se trata de un ángulo muy pequeño y no existe inconveniente de interferencia entre la

rueda y la carrocería en el avance.

DISEÑO PARA LA SEGURIDAD Y ERGONOMÍA.

La seguridad debe conjugar a la estructura y al arnés de seguridad. Un cinturón de cuatro

puntos ofrece una mayor sujeción del usuario. Con respecto a la posición de la espalda, el

ángulo será de 120º ya que está dentro del ángulo de confort y no compromete el ángulo de

visión. Este ángulo, además permite la impresión óptima de la fuerza muscular. El asiento

podrá ser prefabricado y/o modificado, pero considerando siempre un peso mínimo.

Diseño de la carrocería. Se propusieron algunos dibujos preliminares como los que se

muestran en las figuras. Destaca forma aguda de la parte delantera, bordes curvos para

permitir el flujo del aire disminuyendo así, la fricción del mismo. Un área proyectada

pequeña para conseguir un coeficiente de arrastre bajo y por supuesto se considera la forma

estética.

DISEÑO DE CARACTERÍSTICAS ADICIONALES.

Se consideró diseñar un sistema electrónico, alimentado por la acumulación de energía que

generan dos dinamos de 12V posicionados en la rueda trasera. El circuito se puede describir

de la siguiente manera: Un par de faros rojos para indicar el frenado, otro par de faros

blancos delanteros y un par más de faros amarillos que sirven como direccionales y cuatro

leds que indican cuales faros están encendidos en un mando de control del usuario. Se

muestra el diagrama detalle del PIC y los faros, así como el ensamble.

ANÁLISIS DE ESFUERZOS.

El sistema de protección al usuario (Roller Protection System – RPS) está definido por el

chasis, al poseer tubos salientes en lo costados, que conforman un cuadro para la instalación

del asiento, además, se cuenta con un arco sencillo que cubre parcialmente la cabeza a un

ángulo de 12º con respecto a la vertical. Esto conjugado con el cinturón de seguridad de

cuatro puntos, integran el sistema de seguridad. Para el diseño y análisis computacional del

modelo mediante el método del elemento finito, se utilizaron SolidWorks®

2009 y

Autodesk®

Inventor 2011.

El objetivo de éste primer análisis es encontrar las concentraciones de esfuerzos máximas

en el chasis, así como los desplazamientos críticos en el mismo, ante una carga en la parte

superior con la finalidad de rediseñar parcialmente la estructura.

El análisis de elemento finito simula un impacto causado por el volteo del vehículo y

soportando una carga de 600 lbf en la parte superior a un ángulo de 12º con respecto a la

vertical. El modelo esta conformado por tubos de una pulgada nominal en su totalidad y

tiene una masa de 6.916 kg. En este caso se ha considerado colocar las restricciones de no

deslizamiento en los tubos donde van ensambladas las ruedas, ya que está simulando un

impacto en un punto contrario a la posición de las mismas.

La primera figura, representa la concentración de esfuerzos en el chasis, que como se puede

observar, existe un valor máximo en el punto unión entre los cuatro tubos en la parte del

respaldo, alcanzando aproximadamente 247.5 MPa, lo cual rebasa el valor límite elástico de

170 MPa de esta aleación (Aluminio 6063 T6), causando una deformación permanente. Por

otra parte, el resultado del análisis de desplazamiento, indica los puntos críticos en la parte

del respaldo, a la altura que tendrían los hombros del usuario, con un valor de 1.861 mm.

En base a los resultados, podemos sugerir una disminución del diámetro de los tubos, con la

finalidad de reducir el peso como primer objetivo. Como vimos, la estructura se deforma

plásticamente en el área del respaldo y el desplazamiento es relativamente pequeño, no

alcanzando las 2 pulgadas reglamentadas por la convocatoria. Por lo que se debe realizar

una modificación.

Se ha disminuido el calibre en la mayoría de los tubos a # pulgada, dejando únicamente

como de una pulgada los tubos de la parte inferior, que unen el respaldo con los pedales.

Para corregir el problema de la concentración de esfuerzos en el punto de unión entre los

cuatro tubos de la parte del respaldo, se propone una disposición semejante al prototipo B,

donde los tubos que sujetan la rueda trasera mantienen una distancia entre sus centros

constante hasta la unión con el tubo del respaldo. Luego de las modificaciones se observa

que la masa total ha disminuido hasta 5.357 kg.

El análisis de esta iteración, arrojó los siguientes resultados. Con respecto al esfuerzo

máximo, alcanzó un valor de 142.3 MPa, que podemos presumir se encuentra por debajo

del límite elástico de 170 MPa. En cuanto al desplazamiento máximo elástico, se ha logrado

también disminuirlo hasta 1.298 mm, por lo que se ha logrado un refinamiento exitoso.

En un segundo análisis, se pretende encontrar las concentraciones de esfuerzos máximas en

el chasis, así como los desplazamientos críticos en el mismo, ante una carga lateral para

corregir algún aspecto del diseño. El análisis simula un impacto lateral causado por el

volteo del vehículo. De acuerdo a la convocatoria, el vehículo debe soportar una carga de

300 lb, en la estructura a la altura del hombro del usuario. En este caso se ha considerado

colocar las restricciones en el tubo del lado contrario al del impacto. Se somete a análisis el

modelo rediseñado, en la parte anterior.

Los resultados indican que el esfuerzo máximo es de 129.8 MPa, valor inferior a los 170

MPa del límite elástico. Por otro lado el desplazamiento máximo es de 1.022 mm, que de

igual manera se encuentra por debajo de 1.5 pulgadas reglamentadas y no corre riesgos el

piloto en caso de algún percance.

ANÁLISIS AERODINÁMICO.

El objetivo de esta sección, es analizar un par de modelos aerodinámicos, previamente

propuestos, para la selección del diseño de la carrocería en base a los resultados y al

atractivo visual. Es necesario hallar un coeficiente de arrastre mínimo, teniendo 0.35 como

límite.

Se realizaron dos modelos prototipo CAD, mediante superficies en el software

SolidWorks®

2009, ambos diseños propuestos para ser comparados y seleccionar uno de

ellos.

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Se exportaron ambos modelos a Gambit®

para procesarlos. Primeramente se hizo un

suavizado de líneas para que el software reconociera las líneas como reales y no como

virtuales, para luego convertirlo en un volumen y finalmente discretizarlo y definir las

condiciones de frontera. Posteriormente se exportó el modelo a Fluent®

, donde se

especifican las condiciones de análisis.

• Tipo de fluido: Aire

• Velocidad del fluido: 3.32 m/s

• Modelo viscoso: Laminar

• Area transversal del modelo A: 0.283 m"

• Area transversal del modelo B: 0.347 m"

El análisis en Fluent arrojó los siguientes resultados:

• Coeficiente de arrastre del modelo A: 0.284

• Coeficiente de arrastre del modelo B: 0.293

Con estos resultados podemos decir que nuestros modelos son aerodinámicamente

competitivos en comparación con otros vehículos de alta velocidad, que van de 0.5 a 0.3.

La diferencia entre ambos coeficientes es relativamente despreciable, por lo tanto en la

elección del modelo pueden involucrarse otros factores de diseño interior destinado al

usuario o accesorios.

Por otro lado, se decidió conocer, mediante el método experimental, los coeficientes de

arrastre de los modelos A y B, y evaluar los resultados para realizar una elección del

modelo final. La metodología consiste en someter a prueba los modelos a escala 1/13 de la

carrocería del vehículo en un túnel de viento, para calcular las fuerzas de arrastre, a una

velocidad promedio del ventilador axial de 12 m/s.

Se obtuvieron semejantes resultados, por lo que se pudo elegir con libertad, en función del

diseño estético y el espacio interior. A 12 m/s se alcanzaron -0.7 N de fuerza de arrastre,

ahora bien, al escalar el modelo a un tamaño real, se estimó que el modelo real tendría las

mismas condiciones de arrastre a una velocidad de 3.32 m/s relativa al viento. A

continuación, los cálculos hechos sobre el modelo B, el cuál fue seleccionado.

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Finalmente, se logró un diseño completo y satisfactorio para el equipo. Teniendo en

consideración los detalles más importantes del mismo, se pudo elaborar una representación

tridimensional del vehículo, del cual se presentan a continuación algunas capturas

renderizadas. Con esto concluye la primera parte de esta secuencia, que describió la

metodología de diseño del vehículo de propulsión humana “Zorro”, evocando a la mascota

de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

LA MANUFACTURA

Para la manufactura del chasis se procedió a calcular la distancia de cada tubo haciendo uso de

software CAD, cada tramo requiere de diferente preparación para su ensamble como cortes en

ángulo, bocas de pescado, rolados, filetes y ranuras por lo que se maquinaron para hacerlos

embonar entre sí y asegurarnos de que cada uno mida dentro de las tolerancias de manufactura.

El aluminio tiene la peculiaridad de formar rápidamente una película de óxido en su superficie

después de ser limpiado, debilitando la soldadura y perjudicando la calidad de las uniones, así,

siempre segundos antes de comenzar con cada cordón se limpian las partes con un cepillo de

alambre a fin de eliminar esta película y cualquier otra impureza. Todo el proceso de ensamble y

soldadura no tomó más de 2 días.

Algunas partes más críticas como lo son las placas que sujetan el desviador de la rueda trasera y

el bloqueo trasero, se cortaron en una fresadora CNC por la complejidad de su geometría.

La dirección de un vehículo debe de ser lo más suave posible por lo que en todos los ejes

móviles se colocaron rodamientos de diferentes tipos: dos de aguja en los tubos de dirección de

cada rueda, dos rodamientos de bolas en el vástago central de dirección y uno de recargue debajo

del manubrio para sostener el peso del mismo.

Para el montaje del equipo de transmisión se hicieron varias roscas en la estructura del chasis,

una en la placa de bloqueo trasera para el desviador trasero, dos internas en el tubo de las bielas

(una rosca derecha y otra izquierda) para la colocar el eje de la multiplicación delantera, dos

debajo del chasis para montar los rodillos de la cadena y uno en el tubo del desviador delantero

para montar los cables de velocidades. Cada uno de diferente diámetro y rosca.

Una rueda dentada para cadena trabaja bien a altas velocidades si se encuentra perfectamente

bien alineada a la trayectoria de la cadena, de lo contrario hace ruido y en el peor de los casos se

sale de su tangencia, así, se optó por suprimir las ruedas dentadas en los casos donde no se

transfiere potencia directa y sustituirlas por rodillos que giren libremente de un material

autolubricable. Teniendo varias opciones plásticas para tal efecto seleccionamos el POLY-MAQ.

El POLY-MAQ es un Polietileno de ultra alto peso molecular (UHMW-PE) de color blanco

producido por moldeo, compresión y por extrusión, tiene un gran nivel de resistencia a la

abrasión y al impacto que no supera ningún otro plástico. El bajo coeficiente de fricción,

conjuntamente con la resistencia a la abrasión y el grado de dureza, produce una superficie

autolubricante y antiadherente. Por sus características, es de amortiguación sonora, absorción de

energía, nula absorción de líquidos y tiene propiedades dieléctricas y aislantes que sirven para

fabricar partes que trabajan en condiciones de abrasión severas y con baja carga mecánica. Tiene

excelentes propiedades dieléctricas, resistencia química, tan fácil de maquinar como la madera y

su peso es 8 veces menor al del acero. Así, fue la mejor opción para la fabricación de nuestros

rodillos de transmisión.

Un elemento crítico en la manufactura son los ejes delanteros donde se colocan los conos para

armar los rodamientos, debido a que nuestro triciclo carece de horquillas delanteras que le

ayuden a dividir la carga, se elaboraron del material más rígido maquinable disponible en el

mercado local en ese momento: Acero tratado 4140.

El montaje de las balatas de los frenos de disco delanteros fue sobre piezas diseñadas y

elaboradas de solera de acero, esto debido a la importante carga que se tiene en los elementos de

potencia y un material de menor resistencia hubiera fallado.

En vista de que la mayor causa de pinchaduras en los neumáticos de un vehículo es el atropello a

altas velocidades de irregularidades en la pista como piedras o baches, se implementó un sistema

de suspensión consistente en dos tubos concéntricos de diferentes diámetros y un resorte de 10

cm de largo en el resorte interior. Con esto se tenía un desplazamiento de amortiguación de

aproximadamente 6 cm haciendo un viaje más cómodo a velocidades altas.

Para el manubrio se optó por fabricarlo de tubos de acero, esto debido a la necesidad de

maquinarlos y rebajarlos para colocar los duales de cambios.

Para facilitar el acceso del piloto al interior se colocó una puerta tipo lambo en el flanco

izquierdo del vehículo y una puerta más en la parte trasera, siendo éste uno de los maquinados de

sitio improvisados en vista de la necesidad de hacer más cómodo el ingreso y el cambio de piloto

así como el ajuste de las velocidades traseras y el cambio de la rueda.

Una vez que se tenía soldado el chasis y ensamblada la dirección, transmisión, suspensión y

frenos se procedió a probar el vehículo por el interior del campus universitario para detectar

ruidos o cualquier posible falla que pudiera tener el conjunto.

Ya con el tiempo un poco corto para la competencia se comenzó con el proceso de fabricación de

la carcasa colocando un esqueleto de alambrón que cubría los perfiles más importantes del

contorno de la carrocería, así, se cubrió de malla los espacios entre el esqueleto a fin de generar

una geometría igual a la diseñada y probada en el túnel de viento. Éste proceso no tomó más de 5

días en lo que aplicaban y secaban las capas de resina.

El parabrisas constó de una placa de acrílico trasparente y cuadrada de 80x80 cm y 4 mm de

espesor doblada con pistola de calor. Las características del material no hicieron posible que se

generara un radio del parabrisas de 20 cm como lo marcaba el diseño original consiguiendo un

radio de 26 cm haciendo un poco más tosca y larga la parte frontal.

La parte electrónica como los dinamos, las luces, el micro controlador PIC, los switches del

tablero y el cableado se colocaron en este punto.

Se lijó la totalidad de la carrocería quitando la mayor cantidad de porosidad y prepararlo para el

proceso final de pintura.

Por último, ya con la carrocería terminada se aplicaron dos capas de sellador en aerosol y un litro

de pintura automotriz de color negro mate y protectores de goma en los bordes de la fibra para

eliminar posibles filos y aumentar la estética final del vehículo.

LA COMPETENCIA

El Human Powered Vehicle Challenge Latinamerica 2010, se programó para los días del 17 al 19

de Septiembre, en la ciudad de Porlamar, Isla de Margarita, Venezuela, mientras que el registro

de los equipos participantes se había fechado 30 días antes, día en que se debió mandar el reporte

completo de diseño y llenar algunas formas que se solicitaban. Todos estos documentos fueron

enviados vía e-mail a las oficinas centrales de ASME en Nueva York, para su revisión y tramite

correspondiente. Posteriormente se debía esperar poco más de una semana, para recibir la

confirmación de registro en caso de resultar aprobado nuestro diseño. Por supuesto recibimos

dicha confirmación, sin embargo, se nos informó que éramos el único equipo registrado para

competir en la categoría Unresctricted (sin restricciones) y por lo tanto, dicha categoría no podía

abrirse tendiendo que competir en la categoría Speed (velocidad). Esta noticia, dejaba al Zorro

aparentemente en desventaja. Se nos asignó también el numero 6, como numero de equipo

registrado y el cual tendría que portar el vehículo.

El equipo del Zorro estuvo conformado por Eddymier Sánchez Rojas, Rogelio Aguilar Torres,

Carmen Lizbeth Huerta Ruíz, David Guerrero Porras, Luis Miguel Ponce Herrera, Danerick

Lemus Vargas, Enrique Fraga Ramos y Jorge Hernández Murillo. El viaje se programó para

partir el día 14 de septiembre de la Ciudad de México, trasbordando en Bogotá, Colombia, para

posteriormente arribar a la ciudad de Caracas, Venezuela. El siguiente vuelo partiría la tarde del

15 de septiembre de Caracas a la Isla de Margarita, llegando finalmente a nuestro destino, donde

nos esperaba David Velásquez, presidente del comité organizador del HPVCL 2010, para darnos

la bienvenida.

Jueves 16 de septiembre. se dedico por completo al ensamblado del vehículo. El objetivo

fue rearmarlo y verificar los pormenores, ya que al día siguiente se iniciaba la primera prueba de

diseño e inspección estática. Esta tarea, consumió prácticamente todo el día.

Primeramente se desempacaron ambas secciones, en seguida nos dimos a la tarea de montar el

sistema de transmisión de cadena, el cuál demoró bastante tiempo, debido al ajuste de las

velocidades. Posteriormente se ensambló el sistema de amortiguamiento y dirección en la parte

delantera. Esta tarea es muy delicada debido a que se debe lograr una calibración óptima esta. Se

cuidó el correcto acomodo de los cables de frenos y algunos cables más del sistema eléctrico del

vehículo, de manera que no interfirieran con el desempeño del piloto y que permanecieran

discretos a la vista de cualquiera. Se instalaron dos dinamos en la llanta trasera, colocados,

únicamente para la prueba de diseño, ya que en la competencia de velocidad, la fricción, debida

al contacto del generador con la llanta podría causar una perdida de potencia mínima pero con

importante desgaste de la rueda. Finalmente se colocaron los faros en sus posiciones, así como el

cinturón de seguridad. Se cubrieron los detalles estéticos, como el forro del asiento y el

recubrimiento de los bordes de la carcasa de fibra de vidrio, dejando únicamente sin ensamblar la

parte delantera de la carcasa, para poder realizar observaciones durante una breve verificación de

funcionamiento.

Al final de la jornada, se hizo una pequeña prueba de pedaleo, la terminó en un grave problema

desoldando el tubo delantero que sostiene los pedales. En un caso hipotético, en que el piloto

hubiera desarrollado una alta velocidad y enseguida se hubiera desoldado esta pieza, sin duda,

hubiera terminado en una desgracia, en la que por la alta velocidad de la estrella de los pedales,

ésta hubiera alcanzado con sus dientes, las piernas del piloto, causándole graves heridas.

Afortunadamente ocurrió que se desoldara a una baja velocidad y no en competencia. Sin

embargo, se trataba de una falla estructural, una noche antes del primer día de la competencia y

con bajas posibilidades de hallar un taller con soldadura TIG (siendo esta misma, difícil de hallar

en un taller común en Morelia). Se propusieron algunas soluciones inmediatas, que fueran

factibles de realizar al día siguiente, en caso de no conseguir soldar el aluminio directamente.

Viernes 17 DesignEvent. Este evento tuvo lugar en un auditorio acondicionado, en una

localidad a unos kilómetros de Porlamar. Al llegar al lugar del evento, se dieron las facilidades

para poder corregir el desperfecto en un taller, siendo para el favor del equipo, lograr soldar el

aluminio, sin embargo, para asegurar que esta situación volviera a repetirse por fatiga, debido al

pedaleo en este tubo, se soldaron dos nervios más de aluminio, que unen al mismo con los tubos

que sostienen a ambas ruedas delanteras.

Primeramente se realizó la inauguración del HPVCL 2010, así como las inscripciones y registro

del equipo. La prueba consistió en una exposición oral del vehículo, presentando el desarrollo

del diseño y construcción. Posteriormente el jurado debía hacer una inspección estática,

evaluando los requisitos de la convocatoria y las medidas de seguridad. En seguida, se realizaron

las pruebas de radio de giro y distancia de frenado. Se registraron cinco equipos en total, de los

cuales, únicamente cuatro equipos se presentaron, siendo la Universidad Michoacana de San

Nicolás de Hidalgo, la única universidad mexicana.

En lo que respecta a la participación de la sección ASME-UMICH, se tuvo una muy buena

exposición, presentando incluso los modelos a escala que se sometieron a pruebas en el túnel de

viento. El Zorro, llamaba la atención por su diseño triciclo y su sistema eléctrico, el cual poseía

un control de mando al alcance del usuario y funcionamiento fue demostrado, (fácilmente

apreciable en la oscuridad). En las pruebas de radio de giro y distancia de frenado, el vehículo no

tuvo ningún problema aprobando ambas. En general, el papel del equipo fue muy bueno,

obteniendo el segundo lugar, de manera parcial por el este primer día de competencia.

Sábado 18 Drag-RaceEvent. La competencia del segundo día, consistió en pruebas de

aceleración, en las categorías femenina y masculina. Estas pruebas fueron hechas por pares de

competidores, uno a uno y por eliminación directa. La distancia dispuesta en la que se debía

desarrollar la mayor aceleración posible, fue de aproximadamente 300 metros y literalmente al

nivel del mar.

En ambas categorías, el Zorro alcanzó aceleraciones mayores que el resto de los competidores,

debido a que al ser un triciclo, el piloto no debe preocuparse por la estabilidad del vehículo, a

diferencia de los biciclos, que deben alcanzar determinada velocidad para lograr una inercia

suficiente. Por otro lado, la carcasa de fibra de vidrio de dos de los otros equipos, era demasiado

grande y pesada, por lo que para una ligera inclinación, era de importancia poder contrarrestar el

peso en sentido contrario. Por lo tanto los resultados al final de día, fueron excelentes,

obteniendo los primeros lugares en ambas categorías, habiendo ganado una gran ventaja por

sobre los demás equipos. En la siguiente tabla se puede apreciar la puntuación generada en dicho

evento, obteniendo en ambas categorías, los 15 puntos máximos otorgados.

Domingo 19 Speed-Endurance Event. Para el tercer día se programó el endurance, la cual

es una prueba que consiste en poner a prueba la resistencia del vehículo y del piloto, durante dos

horas y media, tiempo en el cual, cada equipo de completar el mayor numero de vueltas al

circuito establecido por los jueces. Para dicha competencia, estuvo permitido relevar a los pilotos

y cada equipo se hizo cargo de su vehículo, en caso de requerir un servicio rápido, administrando

cada uno su propio tiempo.

Aunque en las pruebas de aceleración, el Zorro demostró ser el mejor competidor, en el

endurance, no resultó ser el mismo caso. Al tratarse de una prueba que demandaba un óptimo

rendimiento de manera constante, los biciclos, tomaron ventaja, ya que al girar en las curvas, no

desaceleraban mucho, permitiéndoles volver a recuperar su velocidad máxima en poco tiempo. A

diferencia de esto, el Zorro sí se vio forzado a disminuir su velocidad, de una manera más

drástica, teniendo que volver a recuperarla en un mayor tiempo, lo cual requería de mayor

energía del piloto. Aunado a esto, se presentaron problemas técnicos durante la carrera, debido

una deflexión que sufrieron los ejes de las ruedas delanteras, debido a la incorrecta distribución

de esfuerzos sobre el mismo y por la calidad del acero utilizado, siendo este un acero tratado

4140. Sin embargo a pesar de todo, se logró concluir la carrera con un tercer lugar y como se

demuestra en esta otra tabla, la puntuación alcanzada en este caso fue de 18.0 puntos.

Para finalizar el HPVCL 2010, ese mismo día, se realizó la premiación global del evento. La

sección ASME-UMICH, en representación de la Universidad Michoacana de San Nicolás de

Hidalgo, recibió un reconocimiento por cada evento, correspondiente al lugar obtenido, siendo

entonces uno por el segundo lugar en el Design Event, los dos primeros lugares en Drag-Race

Event, correspondientes a las categorías femeina y masculina y finalmente por el tercer lugar en

Speed-Endurance Event. Por consiguiente, se puede apreciar en la tabla inferior, que se alcanzó

una puntuación total de 80.0 puntos, solo dos puntos por debajo de la Universidad de Oriente,

con lo que se nos fue otorgado el Segundo Lugar Global en el HPVCL 2010.

En esta tabla se puede leer, que la Universidad de Oriente, obtuvo el primer lugar, con su

vehículo Espartano, la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, obtuvo el segundo

lugar, seguida por la Universidad del Zulia, con su vehículo Indio Mara II, y finalmente la

Universidad del Zulia, LUZ COL, con su HPV, San Benito. Se puede observar al final del

ranking, al equipo del Instituto Politécnico Nacional, Aguilas Blancas, quienes quedaron en

último lugar, porque a pesar de que se inscribieron, no les fue posible realizar el viaje.

Además de los reconocimientos antes mencionados, se nos fue otorgado uno más, que reconoce

la innovación y diseño, logrados en el Zorro. Este premio único, entregando solo uno por cada

edición del Human Powered Vehicle Callenge de la ASME. Con todo esto, se puede decir, que si

bien no se logró el objetivo planteado, ganar, si se realizó un muy buen papel en la competencia

y se obtuvieron seis reconocimientos con que demostrarlo.

A manera de agradecimiento, queremos mencionar a las personas que nos apoyaron de cerca en este proyecto: Al M.I. Miguel Ángel Vega González y al Ing. Salvador Naranjo, directivos de la facultad de Ingeniería Mecánica, quienes tuvieron a bien, concedernos las facilidades posibles para proceder desde un inicio y hasta el final. Se les agradece su incondicional apoyo y confianza en nosotros

L.A.E. Alma Yunuén Arreola Talavera por su aportación en el reporte de diseño, su apoyo en la logística y respaldo durante todo el proceso de esta competencia. Jesús Ismael Hinojoza Ramírez, por su apoyo y asesoría durante la manufactura de los elementos del vehículo en el taller metal-mecánica de la Facultad, parte fundamental de este proyecto. M.C. Salvador Cárdenas A. del Instituto de Investigaciones Metalúrgicas, por su tiempo, paciencia, dedicación y asesoría para el ensamble por soldadura del chasis de aluminio. Ricardo Enrique Escobar Zepeda, por compartirnos sus conocimientos sobre el manejo de la fibra de vidrio y asesorarnos en todo momento. Adán Israel León Huéramo, alumno de la Facultad de Ingeniería Mecánica, por el diseño de los tres uniformes usados durante la competencia y el decorado final del vehículo. A nuestros compañeros de ASME Umich que no pudieron asistir a la competencia pero con su apoyo en lo local fue mucho más fácil la elaboración del proyecto Por supuesto también cabe agradecer a los patrocinadores del equipo:

La Facultad de Ingeniería Mecánica de la UMSNH, que a través del H. Consejo Técnico, fue aprobado un fuerte apoyo económico, con lo que comenzó todo. A la Rectoría de la UMSNH. El Consejo Estatal de Ciencia y Tecnología (COECYT), por su también importante apoyo económico. A Bici Sport por ofrecernos atención personalizada y patrocinio en piezas de bicicleta, así como su accesibilidad en piezas sobre pedido. A nuestras familias y profesores que de igual manera nos apoyaron. Gracias a todos.

Danerick Lemus Vargas

Rogelio Aguilar Torres