Diseño y prototipado de unos Patines Eléctricos en línea o e-rollerblades

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Eléctrica Diseño y prototipado de unos Patines Eléctricos en línea o e-rollerblades Autor: Martínez Valverde, Luis Tutor(es): Duque Pérez, Oscar Departamento de Ingeniería Eléctrica Valladolid, julio del 2023. 2 Agradecimientos Elisa, mi sinergia, tu apoyo constante y la energía que has aportado a mi vida durante este proyecto te hacen tan parte de él cómo lo soy yo. A mi madre, por ser la luz que guio mis primeros paso en este camino que llaman vida, por poner en mí la semilla de la curiosidad, la paciencia, la bondad y la esperanza. Gracias, mamá. A mi padre, por dar respuesta a mis infinitas preguntas, por mostrarme tus errores y tus aciertos, y lograr con ello que hoy en día sea yo quien humildemente comparta contigo lo que aprendo. Gracias, papá. A Ariel, mi amigo eterno, por todos los cachivaches llenos de magia, por los barcos de madera en el canal del pueblo, por las tardes infinitas jugando en el suelo del salón de la casa de los abuelos, por todo lo que has aportado a este proyecto, ideas, materiales, escucha. Gracias A mis hermanos Eva y Sebastián, mis primeros amigos, compañeros de juegos, riñas, aprendizajes, malos y buenos momentos, por estar siempre ahí soy parte de vosotros y vosotros parte de esto. Gracias. A mi abuelo Nemesio, sé que estés donde estés me estás viendo brillar, por ti mantendré esta luz encendida así que no dejes de mirar. A mi abuelo Luis, el día menos pensado iré, y te enseñaré en que se ha convertido esa tortuga de coco y corcho. A mi tío Luis, por tu incansable bondad, tus interminables ganas de ayudar, por todo tu apoyo en esta etapa. A Miguel, por no poner pegas cuando convertí nuestro salón en todo un taller de prototipado, por la motivación que aportaste a este proyecto, con tus asombros ante cada una de mis locuras. Gracias A Ismael, Adrián, Rebeca, Germán, Niko, Violeta, Riki, Laura, Marcos, Jorge, Víctor, Chipi, Sergio, Ania y demás amigos y familiares que habéis alimentado mi alma con buenos ratos y momentos felices durante estos años, dándome el empujón que necesitaba para seguir adelante. Gracias A todos los aquellos profesores de la escuela que habéis sido capaces de cautivar mi atenta mirada y escucha, gracias por dar respuesta a mis incansables dudas y por todo lo que he aprendido de vosotros en esta etapa. A Oscar, por tutorizar el desarrollo de la presente memoria, por tu tiempo, tus consejos y tu paciencia. 3 Resumen: A pesar de que en la actualidad se están implementando políticas que promueven una electrificación y descarbonización de los principales consumidores de energía fósil, el transporte y la industria pesada, el consumo energético de estos sectores continua en aumento. El presente trabajo de fin de grado pretende demostrar la viabilidad de alternativas tecnológicas que persiguen la eficiencia frente a el consumo, la micro-movilidad como antónimo al sobredimensionado sistema de transporte urbano actual. Además, trata de reflejar el potencial del movimiento “maker” y los conceptos “open-source”, junto a herramientas de diseño y prototipado 3D, permitiendo desarrollar pensamientos creativos y novedosos en la búsqueda de nuevas soluciones a problemas reales. Centrado en el desarrollo de unos patines eléctricos en línea o e-rollerblades, esta memoria recoge el procedimiento, metodología de diseño y fabricación empleados, así como las conclusiones obtenidas durante el prototipado y las distintas fases de creación y optimización de componentes. Empezando por la evolución de este deporte a lo largo de la historia y la anatomía y taxonomía de los patines, nos adentramos en el entorno actual de los VMP y las hibridaciones entre Vehículos de propulsión humana (VPH) y sistemas de propulsión eléctrica (SPE), para dar paso a la exposición de los objetivos, y las metodologías y procedimientos empleados para su cumplimiento hasta llegar la versión actual del prototipo, a partir del cual se definirán las líneas de futuro para esta nueva tecnología. Palabras clave: Patines eléctricos en linea, E-Rollerblades, Propulsión eléctrica, vehículo eléctrico, micromovilidad, movilidad sostenible, Vehículos de Movilidad Personal (VPMs), ergonomía, diseño 3D, optimización topológica, impresión 3D, Modelado por deposición de material fundido, movimiento “maker”, opensource, creative commons, Fusion360, LiPo, Li-ion, Motor BLDC, VESC. 4 Abstract: In a world where technological advancements focus on and provide the means to sustain the electrification of energy-intensive sectors such as transportation, many of us wonder if "more is better." This final degree project aims to demonstrate the feasibility of alternative means of transportation that pursue efficiency rather than consumption, micro-mobility as an antonym to the oversized current urban transportation system. Furthermore, it aims to reflect the possibilities offered by the "maker" movement and the "open-source" concept, which, together with the proper use of tools such as 3D printing and 3D design, allow for the development of creative and innovative ideas in the search for solutions that wouldn’t be found with the lens of the industrial environment. Focusing on the development of a new technology in the field of personal electric mobility, this project aims to reflect the procedures and conclusions obtained through the design, prototyping, and optimization of a pair of electric inline skates, or e-rollerblades. Starting with a contextualization of the evolution of this sport throughout history, the environment of Personal Mobility Vehicles (PMVs) and hybridizations between Human-Powered Vehicles (HPVs) and electric propulsion systems are explored. The project continues by showing the methods used and the development process of the prototypes until it reaches its conclusion. Keywords: Electric inline skates, E-Rollerblades, Electric propulsion, Electric vehicle, Micromobility, Sustainable mobility, Personal Mobility Vehicles (PMVs), Ergonomics, 3D modeling, Topological optimization, 3D printing, Fused Deposition Modeling, Maker movement, Open-source, creative commons, Lithium-ion, LiPo, BLDC Motor, VESC. 5 Contenido Contenido................................................................................................................ 5 Índice de Tablas ..................................................................................................... 8 Índice de Ecuaciones ............................................................................................. 8 Índice de Ilustraciones ........................................................................................... 9 Capítulo 1: Introducción .................................................................................... 15 1.1 Justificación del proyecto ...................................................................... 15 1.2 Motivación personal .............................................................................. 20 1.3 Objetivos generales ............................................................................... 21 Capítulo 2: Contextualización ........................................................................... 23 2.1 Los Patines ............................................................................................. 23 2.1.1 Evolución histórica ......................................................................... 23 2.1.2 Anatomía del patín ......................................................................... 28 2.1.3 Clasificación ................................................................................... 33 2.2 Micro-movilidad eléctrica ...................................................................... 38 2.2.1 Vehículos de Movilidad personal .................................................. 38 2.2.2 Marco Regulatorio .......................................................................... 40 2.2.3 E-Bikes y la “patinada” asistida .................................................... 42 2.2.4 Estado del arte ............................................................................... 42 Capítulo 3: Fundamento teórico ....................................................................... 47 3.1 El Sistema de Propulsión Eléctrica ....................................................... 47 3.2 Clasificación de motores eléctricos, motor BLDC ............................... 48 3.2.1 ¿Qué es un motor eléctrico? ......................................................... 48 3.2.2 Clasificación ................................................................................... 49 3.2.5 Tipos de motor BLDC ..................................................................... 52 Capítulo 4: Metodología y objetivos del diseño ............................................... 55 4.1 Metodología de diseño .......................................................................... 55 4.2 Parámetros funcionales y objetivo ....................................................... 57 Capítulo 5: Maqueta inicial ............................................................................... 59 5.1 Diseño inicial del sistema y elección de componentes ...................... 59 5.1.1 Elección del patín base .................................................................. 59 5.1.2 Generalidades del diseño .............................................................. 60 5.1.3 Morfología del Tren de Potencia ................................................... 61 6 5.1.4 Batería............................................................................................. 62 5.1.5 Motor y transmisión ....................................................................... 63 5.1.6 Electrónica ...................................................................................... 66 5.1.7 Desacople VPH-SPE ....................................................................... 68 5.1.8 Cálculo teórico de autonomía ....................................................... 75 5.1.9 Bocetos y diseño de la estructura ................................................. 77 5.2 Fabricación y montaje ........................................................................... 79 5.2.1 Desacople VPH-SPE ....................................................................... 79 5.2.2 Raíl y ensamblaje general ............................................................. 80 5.3 Ensayos y conclusiones ........................................................................ 81 5.3.1 Eléctrico: ......................................................................................... 81 5.3.2 Estructura: ...................................................................................... 81 5.3.3 Transmisión: ................................................................................... 81 5.4 Conclusión: ......................................................................................... 82 Capítulo 6: Prototipo Mk1 ................................................................................. 83 6.1 Rediseño inicial, Estructura y anclaje del motor: ................................ 83 6.2 Fabricación y montaje del prototipo ..................................................... 85 6.2.1 Fabricación ..................................................................................... 85 6.2.2 Montaje ........................................................................................... 87 6.3 Ensayos y modificaciones, fase 1 ........................................................ 90 6.3.1 Primera etapa de pruebas ............................................................. 90 6.3.2 Segunda etapa de pruebas ........................................................... 91 6.3.3 Conclusiones sobre los ensayos ................................................... 93 6.3.4 Mejoras y optimización del diseño ................................................ 94 6.4 Ensayos y modificaciones, fase 2 ........................................................ 99 6.4.1 Ensayos de autonomía y resiliencia .............................................. 99 6.4.2 Mejoras y optimización del diseño ............................................. 100 6.5 Ensayos y conclusiones del prototipado ........................................... 102 Capítulo 7: Prototipo, Mk2 ............................................................................. 105 7.1 Fase 1, optimización mecánica ......................................................... 106 7.1.1 Rediseño de la estructura .......................................................... 106 7.1.2 Fabricación de la estructura ....................................................... 113 7.1.3 Rediseño del sistema de tracción .............................................. 117 7.2 Fase 2, Nuevos sistemas de control y almacenamiento ................. 133 7 7.2.1 Controladora VESC ...................................................................... 133 7.2.2 Batería de ion Litio ...................................................................... 135 Capítulo 8: Conclusión ................................................................................... 145 8.1 Cumplimiento de parámetros funcionales ....................................... 145 8.2 Análisis técnico económico del proyecto .......................................... 148 8.3 Cumplimiento de objetivos generales ............................................... 150 8.4 Líneas de desarrollo ........................................................................... 151 8.4.1 Motor BLDC Out-runner “Pancake” convertido a Hub-Motor ... 151 8.4.2 Nuevo concepto del sistema de frenada ................................... 153 8.4.3 Optimización del sistema de control, piezo eléctricos y sistema de patinada asistida real. .......................................................................... 155 Referencias ........................................................................................................ 157 Anexo 1: Cálculos .............................................................................................. 161 1.1 Cálculo de KT y Torquímetro, Freno de Prony .................................. 161 1.1.1 Cálculo teórico de la constante de par del motor N5065 ........ 161 1.1.2 Calculo experimental de la constante de par del motor N5065 162 1.2 Cálculo paramétrico del SPE, Hoja de Cálculo VESC Project. [39] . 166 1.2.1 Prototipo Mk1, Fase 1 ................................................................ 167 1.2.2 Prototipo Mk1, Fase 2 ................................................................ 171 1.2.3 Prototipo Mk2, fase 1 ................................................................. 175 1.2.4 Prototipo Mk2, fase 2 ................................................................. 179 Anexo 2: Herramientas de diseño y fabricación ............................................. 184 2.1 Herramientas de diseño..................................................................... 184 2.2 TinkerCAD ............................................................................................ 184 2.3 AutoCAD .............................................................................................. 185 2.4 Inventor ............................................................................................... 185 2.5 Fusion360 ........................................................................................... 186 2.6 Slicer, Ultimaker Cura ........................................................................ 187 2.6.1 Parámetros comunes a los tres perfiles .................................... 188 2.6.2 Perfil PLA_Filex ............................................................................ 189 2.6.3 Perfil PETG_SUNLU ..................................................................... 190 Anexo 3: Ficheros estereolitográficos STL....................................................... 191 Anexo 4: Planos………………………………………..……………… Documento ZIP externo 8 Anexo 5: Hojas de características……………………………….Documento ZIP externo Índice de Tablas Tabla 1. Sección 2 VMP para transporte de personas, ANEXO del Manual de características de los VMP [18] .......................................................................... 41 Tabla 2. Tabla comparativa entre las dos opciones comerciales existentes .. 45 Tabla 3. Tabla comparativa entre motores Brushless DC y motores con escobillas .............................................................................................................. 51 Tabla 4. Márgenes de diseño para la relación de transmisión......................... 64 Tabla 5. Elección de la Constante de Velodidad o KV ....................................... 65 Tabla 6. Resumen características Sistema Eléctrico ........................................ 67 Tabla 7. Medidas y cálculos experimentales de la transmisión, maqueta inicial ............................................................................................................................... 82 Tabla 8. Cálculo de la nueva relación de transmisión y velocidad lineal máxima, prototipo Mk1 ........................................................................................ 96 Tabla 9. Tabla comparativa entre prototipos del proyecto, Prototipo Mk1 .. 102 Tabla 10. Parametrización mecánica, prototipo Mk2 Fase 1 ........................ 127 Tabla 11. Análisis técnico económico de las opciones comerciales de celdas de ion litio .......................................................................................................... 137 Tabla 12. Comparativa de costes y parámetros entre prototipos y versiones comerciales existentes 06/07/2023 .............................................................. 145 Tabla 13. Comparativa de características funcionales entre prototipos y y versiones comerciales existentes 06/07/2023 ............................................. 146 Tabla 14. Cuadro comparativo de costes por fase y prototipo ...................... 148 Tabla 15. Freno de Prony, mediciones de la báscula por cada 0,5 A ........... 164 Tabla 16. Cálculo de experimental de la constante de par, KT ..................... 165 Tabla 17. Resumen de prestaciones mecánicas por fase y prototipo, par incluido............................................................................................................... 165 Índice de Ecuaciones (1) Conversión de la capacidad a Wh .......................................................................... 76 (2) Cálculo el consumo energético en Wh/km ............................................................ 76 (3) Cálculo de la autonomía en km .............................................................................. 76 (4) Cálculo del diámetro máximo para una inclinación de 45 º .............................. 123 (5) De KV fase-fase a KV fase-neutro ........................................................................ 161 (6) Conversión KV fase-neutro a KT ........................................................................... 161 (7) Conversión de kg a Newtons ................................................................................ 164 (8) Aplicación del brazo torsor.................................................................................... 164 9 Índice de Ilustraciones Ilustración 1. Indicador global de electro - movilidad a nivel europeo [1] ....... 15 Ilustración 2. Cuotas del transporte interior de viajeros (viajeros-km) por modos terrestres en España y principales países europeos. 2019 [2] ........... 16 Ilustración 3. Estadística comparativa, Los medios de transporte más usados en España en 2020, El Statista [3] .................................................................... 16 Ilustración 4. Balance eléctrico Nacional en MWh, últimos 6 meses Fuente: REData, Red Eléctrica de España [6] .................................................... 17 Ilustración 5. Balance eléctrico de Castilla y León en MWh del primer trimestre de 2023 ................................................................................................................ 18 Ilustración 6. Patín de hielo primitivo [8] ........................................................... 23 Ilustración 7. Primer documento iconográfico sobre patines de ruedas [9] ... 24 Ilustración 8. Primeros patines bajo patente, Petibled 1819 [10] ................... 25 Ilustración 9. patent No. 4782 “Volito” [9] [10] ................................................ 26 Ilustración 10. Corredor sobre Patín-Ciclos, Patente G.T. Bond (1896), “Roller Skate” de H.W. Libbey (1896) [9] ...................................................................... 27 Ilustración 11. Esquema gráfico de los elementos de un patín [11] ............... 28 Ilustración 12. Patines Freestyle [11] ................................................................ 33 Ilustración 13. Patines de larga distancia [28] .................................................. 34 Ilustración 14. Patines agresivos [40] ................................................................ 35 Ilustración 15. Patines en paralelo [41] ............................................................. 35 Ilustración 16. Patines de hockey [11] ............................................................... 36 Ilustración 17. Patines velocidad [11] ................................................................ 36 Ilustración 18. Patines de descenso [42] .......................................................... 36 Ilustración 19. Patines SUV, Off-road [11] ......................................................... 37 Ilustración 20. Patines Nórdicos, Off-road [11] ................................................. 37 Ilustración 21. Flujo de energía en un patinete eléctrico [13] ......................... 38 Ilustración 22. Vehículo monoeje autoequilibrado o “Segway” [14] ................ 39 Ilustración 23. Vehículo de eje flexible autoequilibrado o "hoverboard" [15] . 39 Ilustración 24. Monociclo eléctrico con autoequilibrado [16] .......................... 39 Ilustración 25. E-Skate [17] ................................................................................ 39 Ilustración 26. Esquema Comparativo VMP, Anexo 1 de la Instrucción 16/V- 124 de la DGT ...................................................................................................... 40 Ilustración 27. Patin eléctrico Thunderblade [21] ............................................. 43 Ilustración 28. Patines Eléctricos ESCEND [23] ................................................ 44 Ilustración 29. Patines eléctricos AtmosGear [24] ............................................ 44 Ilustración 30. Taxonomía de los motores eléctricos ........................................ 49 Ilustración 31. Montaje de sensores de efecto hall en un motor BLDC Outrunner [25]...................................................................................................... 52 Ilustración 32. Técnica de control por diferencias de FCEM (a) diferencias de FCEM entre fases y sus correspondientes corrientes; (b) esquema del circuito 16 Este dato resulta de especial interés en un país de la Unión Europea, teniendo en cuenta que dentro de la Unión el vehículo privado es el transporte más usado dentro de los modos terrestres, y España no es una excepción. Ilustración 2. Cuotas del transporte interior de viajeros (viajeros-km) por modos terrestres en España y principales países europeos. 2019 [2] Ilustración 3. Estadística comparativa, Los medios de transporte más usados en España en 2020, El Statista [3] En caso de que aún hubiese alguna duda sobre la importancia de la electrificación del transporte terrestre en nuestro país, España se encuentra en la cabeza de la Unión en términos de producción de energía eléctrica renovable y potencia instalada, incluso con previsión de aumento durante los próximos años. Energía que, debido a ser fruto de fuentes renovables, en muchas ocasiones generará valores excedentarios. 17 Cito la nota de prensa del informe de energías renovables de REE, año 2021: “España es el segundo país europeo que más energía eléctrica generó en 2021 a partir de eólica y solar (que incluye la fotovoltaica y la térmica), solo por detrás de Alemania según datos de ENTSO-E. El sol y el viento produjeron en España más de 86 TWh el año pasado, un tercio de toda la producción a nivel nacional” “De esta manera, nuestro país cerró el año superando los 64 GW de estas tecnologías, lo que a 31 de diciembre representaba casi el 57 % del parque de generación nacional. Esta evolución positiva sitúa a España en el segundo puesto – detrás Alemania y por delante de Francia e Italia” “Castilla y León ha revalidado su liderazgo renovable. Un año más, ha sido comunidad con mayor potencia instalada renovable en España, alcanzando un cómputo de casi 12 GW, lo que representa más del 95% de su parque de generación” [4] Misma fuente, cierre del año 2022: “Este año, España ha sumado 4,6 nuevos GW de renovables, en concreto 1,2 GW eólicos y 3,4 GW fotovoltaicos. La fotovoltaica es la tecnología que más ha aumentado y este año ya ha conseguido superar a la hidráulica, situándose en estos momentos como tercera en el ranking de fuentes con más potencia: ya supone casi el 16%. La capacidad de generación renovable asciende ya a más del 58% del total del parque” [5] Ilustración 4. Balance eléctrico Nacional en MWh, últimos 6 meses Fuente: REData, Red Eléctrica de España [6] 18 Ilustración 5. Balance eléctrico de Castilla y León en MWh del primer trimestre de 2023 Fuente: REData, Red Eléctrica de España [6] Desde comienzos del año 2023, la creciente inversión renovable en nuestro país, y en concreto en nuestra región, junto con las condiciones climáticas ha propiciado que la generación renovable siga rompiendo récords, mientras el consumo de energía eléctrica no solo no aumenta, sino que ha disminuido entorno a un 2,4 % respecto al mismo periodo en 2022 [7] . La generación renovable en nuestra comunidad representa el 89,6 % del total, energía de la cual los castellano leoneses y castellano leonesas solo consumimos un 46,2 %, un 6,77 % se almacena mediante bombeo en nuestros embalses, y el 47 % restante se exporta y consume fuera de nuestra región. A nivel nacional los números son similares, más del 51 % de la estructura de generación es de origen renovable, y de toda la generación, en España solo hemos consumido el 93%, lo cual supone más de un 7 % de energía exportada. Las exportaciones generan PIB, no es energía perdida, pero generalmente ocurren en entornos excedentarios, lo cual reduce mucho el precio de dicha energía. Además, todo transporte de energía eléctrica lleva consigo las correspondientes pérdidas. En resumen, en un marco nacional cada vez más renovable, y por consiguiente con una generación cada vez más irregular y excedentaria, una flota de vehículos electrificados enchufables, correctamente gestionados, pondría a disposición del sistema eléctrico español un almacenamiento distribuido cercano al consumo, y un aumento en el consumo de energía eléctrica en zonas horarias de picos de producción (una gran pate del transporte de pasajeros ocurre durante el día). 19 Resulta crucial desarrollar nuevos modelos de transporte urbano sostenibles, eficientes y accesibles para todos. Y el vehículo eléctrico resulta a día de hoy una fuerte baza a jugar en el camino hacia la sostenibilidad. No obstante, en el ámbito de la movilidad urbana, existen opciones mucho más eficientes que los grandes y costosos SUVs eléctricos, los cuales a pesar de ser mucho más eficientes que los vehículos convencionales en entornos urbanos, en transportes unipersonales su potencia, tamaño y peso resultan ineficientes en comparación con los vehículos de movilidad personal (VMP). La solución ante los excedentes antes descritos no es aumentar el consumo, sino aprovecharse de la situación actual y la riqueza que nuestra estructura de generación nos ofrece, sin que ello conlleve a un crecimiento descontrolado de la misma. Los vehículos de movilidad personal (en adelante VMP) son una alternativa altamente eficiente en este tipo de desplazamientos de corta o media distancia unipersonales (al trabajo, a la compra, de ocio…), muy comunes en la movilidad urbana. Además, la reducción del volumen de tráfico en las ciudades, en el sentido más literal de la palabra, acortaría drásticamente los tiempos de desplazamiento. Por otro lado, la versatilidad del concepto que rodea los VMP, permite que prácticamente cualquier Vehículo de Propulsión Humana pueda hibridarse con las tecnologías de propulsión eléctrica existentes, convirtiendo este tipo de vehículos, comúnmente encasillados en el ámbito del ocio o el entretenimiento, en una herramienta eficaz, eficiente, personalizada, saludable, barata, sostenible y sobre todo divertida. Como yo, hay muchas personas que desean contribuir en este cambio hacia una movilidad más sostenible. Mi propuesta es la de diseñar y desarrollar unos patines eléctricos que cumplan con estos los requisitos de sostenibilidad y eficiencia, y que puedan ser utilizados como una opción viable para el transporte personal en las ciudades españolas. 20 1.2 Motivación personal La decisión de desarrollar un trabajo de fin de grado más práctico y cercano a la fabricación y el diseño de un sistema innovador y funcional nace del deseo de asentar los conocimientos obtenidos en la escuela, profundizando en campos como la propulsión eléctrica, la electrónica de potencia, las teorías de control, las máquinas eléctricas o los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica. Todo ello fundamentado el concepto más original de la ingeniería que para mí es la creatividad y la capacidad resolutiva. Siendo, además, una oportunidad para poner en práctica, aprender y profundizar sobre la infinidad de materias y herramientas que, a pesar de no ser competencia directa del Grado, han despertado mi interés a lo largo de este período formativo. La impresión 3D, el diseño mecánico, la electrónica y los sistemas de control, los nuevos sistemas de almacenamiento eléctrico, la movilidad eléctrica, los motores brushless, la comunidad Maker y los repositorios open-source. Son temas que entonces despertaban mi curiosidad, y el diseño y fabricación de unos patines eléctricos, prometía aunar todos ellos en un único proyecto. Desde que se patinar y más en concreto durante los cuatro años de la carrera, el patinaje ha estado muy presente en mi día a día, no solo como medio de transporte, sino con un papel casi meditativo. Mi interés en el mundo del “Rollerblading”, el hambre de innovación y la incansable búsqueda de la eficiencia que es para mí la ingeniería, fueron la semilla que dio comienzo al proceso creativo, y la investigación sobre la existencia de este tipo de sistemas de propulsión eléctrica en el patinaje. El hecho de no haber encontrado prácticamente información al comienzo del proyecto, mientras que otros hibridaciones sobre Vehículos de Propulsión Humana como la bicicleta o el monopatín llenaban de respuestas mis búsquedas, fue sin lugar a duda una de las principales motivaciones. Este hecho representó para mí la oportunidad de ser una de las primeras piedras en el camino y crear uno de los primeros prototipos de patines eléctricos. 21 1.3 Objetivos generales A continuación, se presentan los objetivos y aprendizajes se espera conseguir con la resolución del presente trabajo de fin de grado: 1. Mediante el presente trabajo de fin de grado se pretende documentar de forma concisa y explicativa el proceso inherente al diseño y construcción de un nuevo sistema de micro-movilidad eléctrica. Se analizará el contexto actual o estado del arte, se desarrollarán conceptos, ideas y soluciones, y se construirán distintos prototipos y modelos sobre los que experimentar y desarrollar mejoras técnicas. 2. Se pretende demostrar que, mediante las herramientas disponibles hoy en día, los repositorios “open-source” y la disponibilidad de mercados internacionales de los distintos componentes, se pueden materializar ideas altamente creativas con un impacto real en nuestro día a día, generando un importante aprendizaje en el proceso. 3. Desarrollo de competencias transversales mediante el uso de herramientas como: impresión 3D mediante tecnología FDM (Fused Deposition Modeling o Modelado por deposición de material fundido), corte por láser, plegado de chapa, mecanizado y soldadura, herramientas de diseño CAD, repositorios open-source, fotogrametría y optimización topológica. 4. Obtención de un prototipo funcional de patines eléctricos en base a los parámetros funcionales descritos en el apartado 4.2 de la memoria “Parámetros funcionales y objetivo” 22 23 Capítulo 2: Contextualización 2.1 Los Patines 2.1.1 Evolución histórica Los orígenes Los primeros trazos en la historia del patinaje se remontan a la Holanda del siglo XIV, en escritos de la época ya se relataba como las gentes que habitaban zonas del norte de Europa en las cuales ríos, canales y lagos quedaban congelados durante las estaciones invernales, desarrollaron una herramienta similar a un patín de hielo. Unas simples botas de cuero atadas a un hueso o palo suficientemente rígido y afilado, les permitía cruzar las grandes masas de hielo deslizándose por la superficie. Ilustración 6. Patín de hielo primitivo [8] Con la profesionalización de la metalurgia aparecieron las primeras cuchillas de hierro entorno al año 1572, transformando esta práctica en un transporte eficaz que se fue extendiendo hacia otras zonas de Europa. Tal fue la expansión e integración en los pueblos escandinavos que, veinte años después, se organizan las primeras carreras sobre hielo entre pueblos noruegos de las que se tiene constancia. Años más tarde, en torno a 1642 se fundó el primer club de patinaje del mundo en Edimburgo (Escocia). Ambos hechos marcan el comienzo de una época dorada para el patinaje en Europa, no solo como un medio de transporte, sino como un fenómeno social y deportivo. 24 Primer patín sobre ruedas John Joseph Merlin (Bélgica-1760) Hay dudas sobre quién fue su autor y cuando se crearon los primeros patines sobre ruedas de la historia, no obstante, la primera creación cuyo diseñador fue oficialmente reconocido data de 1760. Año en el cual el inventor y relojero belga John Joseph Merlin, apareció en una fiesta de máscaras tocando un violín que él mismo había fabricado, montado en su última creación unos patines de hielo modificados con dos ruedas por patín. Aunque no era aún una práctica muy conocida, Merlin cautivó a muchos de los artistas e inventores de la época, quienes en las siguientes décadas serían espectadores del potencial de esta tecnología, capaz de extender el patinaje más allá de las fronteras del hielo. Primeros diseños y patentes Maximiliaan Lodewijk, Van Lede (Países Bajos-1789) La creación de Van Lede se recoge en el primer documento iconográfico en el que se representan unos patines sobre ruedas conocido hasta la fecha. El documento relata como un suizo patinó desde Scheveningen hasta La Haya, frente a miles de espectadores. La fecha de la impresión sugiere que el patinador está usando los patines inventados por van Lede un año antes. Mediante un diseño sencillo se muestra no solo el ensamblaje de los tres elementos básicos de los patines de Van Lede (unión, suela y ruedas) sino una representación muy clara de su uso. Ilustración 7. Primer documento iconográfico sobre patines de ruedas [9] 25 Chrles Louis Marie Petibled (Francia-1819) El siguiente hito que marcó una nueva etapa en la evolución de esta tecnología fue la patente de Petibled. Este diseñador mecánico parisino diseñó y patentó el primer patín de la historia, un diseño con tres ruedas en línea que ya revelaba avances técnicos notorios, como las uniones mediante tornillos metálicos, aumentando la reparabilidad y la aparición de sujeciones compuestas y suela más ergonómicas, que permitieron a estos patines aumentar el número de usuarios y generar un impacto en la historia. Ilustración 8. Primeros patines bajo patente, Petibled 1819 [10] Líneas de evolución: Patines en línea o “Rollerblades” La patente de Petibled, fue precursora de invenciones cada vez más creativas y alternativas, en persecución de esa distinción que permitiese a sus creadores producir sus patines bajo patentes compatibles con esta primera. Así, dio comienzo una época dorada para las patentes y diseños del patinaje, en la cual se definen principalmente dos caminos o vertientes en el diseño. La mayoría de las patentes se centraron en patines más estables que fueran más sencillos de usar, aunque menos dinámicos, pensados para el patinaje “in-door” en los rings de patinaje que ya se dejaban ver por todo Europa. En resumen, patines centrados en el entretenimiento de la burocracia de la época, lo que hoy conocemos como patines “de 4 ruedas” o artísticos, en inglés “Rollerskates”. En antonimia, se desarrollaron diversas patentes en torno a la necesidad que originó esta tecnología, como herramienta de transporte y, por tanto, más interesantes para el presente proyecto. Ideas que, a partir de la patente de Petibled, introdujeron mejoras como sistemas de frenada u optimizaciones en la dinámica del contacto con el suelo, conformando el camino hacia lo que conocemos hoy día como patines “en línea”, en inglés “inline-skates” o “Rollerblades” (por la semejanza con los patines de hielo originales y sus cuchillas, “blades”). A continuación, se muestra un resumen de las patentes más relevantes de los últimos 200 años, y que definen el mundo contemporáneo del “rollerblading”. Comenzando por una patente que cumple este año su bicentenario. 32 Freno (Brake) La mayoría de los patines en línea emplean un sistema de frenada asistida, que consiste en una pastilla de goma o poliuretano ensamblada al rail a través de un acople en plástico (generalmente ABS) ubicada al frente o en el talón del patín, que al bascular hacia ella el peso del cuerpo, genera contra el suelo una fuerza de rozamiento suficiente para realizar la frenada. A fin de simplificar el diseño y reducir peso, muchos patines carecen de este sistema. En su lugar se emplean técnicas de frenada autónomas, como la frenada en derrape o “powerslide” y la frenada en T, que aprovechan la adherencia de las ruedas de poliuretano y la característica lineal de la banda de rodadura del patín para efectuar la frenada. Como desventaja, la efectividad de estas técnicas depende del dominio de las mismas y la composición de las ruedas, además, aceleran el desgaste asimétrico de las ruedas. Actualmente, existen sistemas alternativos más complejos, que permiten una frenada efectiva en prácticamente cualquier contexto. De nuevo, la marca PowerSlide ha desarrollado patentes como “Syncro Brake” o “Calf Brake” ambos sistemas que emplean la articulación de la bota o “hinge” y un anclaje a la caña para accionar un sistema de frenada que actúa directamente sobre las ruedas, reduciendo el desgaste, y aumentando a efectividad y repetibilidad de la frenada. Espaciador (Spacer) En la mayoría de las ruedas, se emplea un espaciador a fin de mantener en el interior de estas los rodamientos alineados y separados entre sí a una distancia adecuada. Se trata de un sencillo elemento cilíndrico de aluminio o plástico, cuyo diámetro coincide con el del anillo interior de los rodamientos, teniendo en cuenta el estándar ABEC entorno a 8mm. Ejes (Frame Axles) Los ejes son tornillos de aluminio lisos, con una rosca normalizada (M8) en la punta tan larga como grueso sea el perfil del marco o rail, con cabeza avellanada tipo Hallen. Los ejes tienen la función de soportar alinear y respecto las ruedas y rodamientos. Además, sirven para completar la estructura del chasis dotándolo de rigidez. 33 Estabilidad Maniobrabilidad Velocidad Confort Ligereza Menor Precio 2.1.3 Clasificación Dado que este proyecto se centra en la hibridación de unos patines con un SPE, y no tanto en el diseño en sí mismo de un patín convencional, se emplearán unos patines comerciales como base para el proyecto. Razón por la cual, resulta de interés definir los tipos de patines existentes y su afinidad o no ante los requisitos deseados. Para ello se analizarán parámetros como sus dimensiones, confort, estabilidad, maniobrabilidad, peso o contexto de uso. Para lograr un análisis más visual, se emplearán gráficos radiales, acompañados de breves descripciones de cada modelo. Doy por justificada la evaluación realizada dado el conocimiento adquirido con la realización de carias de las disciplinas mencionadas, y la investigación realizada para el presente proyecto. No obstante, no resulta complicado encontrar comparativas similares en múltiples foros. [12] Freestyle: El Freestyle (del inglés “estilo libre”), también llamado Freeride, es una disciplina centrada en realizar movimientos creativos y fluidos sobre los patines, comúnmente en terrenos muy lisos y empleando conos o pequeñas rampas y desniveles. En este sentido, se puede considerar una disciplina similar al patinaje artístico, pero aplicada al entorno urbano. Los patines para Freestyle se diseñan pensando en la maniobrabilidad y la fluidez de los movimientos, empleando disposiciones de ruedas como la “Rocker” y sus variantes. El raíl empleado suele ser de 243 mm con 5 ruedas de hasta 80 mm. La bota suele ser muy rígida, a fin de reducir el riesgo de lesiones en la zona del tobillo. Ilustración 12. Patines Freestyle [11] 34 Estabilidad Maniobrabilidad Velocidad Confort Ligereza Menor Precio Estabilidad Maniobrabilidad Velocidad Confort Ligereza Menor Precio Patines Fitness: Son el tipo más común de patines, ideales para iniciarse en el mundo del patinaje en línea o darse un paseo por la ciudad, debido a su comodidad y estabilidad. No obstante, por esta misma razón no resultan de especial interés en ninguna disciplina. Como punto fuerte, se trata del modelo de patines más económico de la lista. El raíl tiene 243 mm desde el primer al último eje y 5 ruedas de hasta 80 mm. Figura 1. Ejemplo de patines Fitness [11] Larga distancia: Estos patines están pensados para lograr la máxima comodidad en desplazamientos de largas distancias, siendo el diseño más empleado como medio de transporte en entornos urbanos. Destacando características como la suavidad del forro (que evita la aparición de lesiones en la piel debidas a largas exposiciones a la fricción), la rigidez y estabilidad de la bota, la disposición de 3 ruedas de mayor tamaño (110 mm) y perfil afilado (menor fricción), más distanciadas (124mm entre ejes, 248 en total) logrando una mayor estabilidad. Por el contrario, son patines algo más pesados que los anteriores y con menor maniobrabilidad. Ilustración 13. Patines de larga distancia [28] 35 Estabilidad Maniobrabilidad Velocidad Confort Ligereza Menor Precio Estabilidad Maniobrabilidad Velocidad Confort Ligereza Menor Precio Patines agresivos: El patinaje agresivo es una modalidad con gran similitud al “skateboarding” o monopatinaje. Originado en los años 80, consta de exhibiciones con desplazamientos a través de obstáculos (generalmente en skateparks o recintos similares) y trucos aéreos sobre patines en línea. Los patines muestran una alta resistencia a impactos en el raíl y la suela, alta estabilidad y maniobrabilidad, al reducir el tamaño de las ruedas (60-72mm) y la altura de la suela. El rail dispone de varias zonas diseñadas para deslizarse sobre superficies (grindar). Patines en paralelo o “quads”: Los patines de ruedas paralelas 2 a 2 o patines “quads”, son comúnmente empleados para aprender a patinar, debido a la gran estabilidad que ofrecen. No obstante, resultan menos dinámicos en términos de velocidad. Se emplean fundamentalmente en patinaje artístico, y algunas modalidades del hockey sobre ruedas. Ilustración 14. Patines agresivos [42] Ilustración 15. Patines en paralelo [43] 36 Estabilidad Maniobrabilidad Velocidad Confort Ligereza Menor Precio Estabilidad Maniobrabilidad Velocidad Confort Ligereza Menor Precio Patines de hockey: Diseñados específicamente para este deporte, los patines de hockey ofrecen una alta maniobrabilidad y aceleración a causa de su diseño compacto y ligero. Tanto la cubierta de la bota como los raíles de aluminio presentan una alta resistencia ante impactos. Railes UFS 243 mm entre ejes más lejanos, 4 ruedas de 80 mm máx. Patines de velocidad: Los patines de velocidad, como su nombre indica, son fruto de la búsqueda de un diseño altamente aerodinámico, ligero, y enfocado a alcanzar la mayor velocidad posible en el menor rango de tiempo y con el menor esfuerzo. Railes FSK o Trinity, distancia entre ejes más lejanos de 355 mm, 4 ruedas de 110 mm de diámetro. Los patines de descenso son una variante más estable de los patines de velocidad, solo que, en vez de buscar agilidad en los tobillos para acelerar con facilidad, se diseñan hacia una alta estabilidad que les permita alcanzar muy altas velocidades durante los descensos. Para ello se diseñan con botas más altas y rígidas. Railes FSK 388 mm con 5 ruedas de 80 mm. Ilustración 16. Patines de hockey [11] Ilustración 17. Patines velocidad [11] Ilustración 18. Patines de descenso [44] 37 Estabilidad Maniobrabilidad Velocidad Confort Ligereza Menor Precio Estabilidad Maniobrabilidad Velocidad Confort Ligereza Menor Precio Patines SUV: A fin de llevar el patinaje más allá del entorno urbano, se crean los patines Off-Road, en concreto los modelos SUV del inglés “Sport Utility Vehicles”, buscan lograr un equilibrio entre el dinamismo que define el patinaje en línea y la robustez necesaria para llegar a terrenos menos homogéneos. Para ello, se emplean ruedas neumáticas, que favorecen la absorción de las irregularidades del terreno, difiriendo de los anteriores modelos de rueda rígida. Todo el patín se diseña para afrontar un entorno más hostil, lo cual lo convierte en un patín más durable y pesado. Patines nórdicos: Por último, los patines nórdicos o de marcha, también son patines off-road pensados para terrenos irregulares y tienen, por tanto, mucho en común con los anteriores. No obstante, se trata de unos patines con una maniobrabilidad muy reducida, mucho más estables y de mayor peso y tamaño. Ello hace que su uso sea distinto a todos los anteriores modelos, pues la propulsión no se origina desde los pies, sino con bastones, siendo una disciplina hermana del “Rollerski”. Ilustración 19. Patines SUV, Off-road [11] Ilustración 20. Patines Nórdicos, Off-road [11] 38 2.2 Micro-movilidad eléctrica 2.2.1 Vehículos de Movilidad personal Los denominados Vehículos de Movilidad Personal resultan ya un elemento común en el contexto urbano, pues los ciudadanos y ciudadanas contemporáneos conviven con diversos vehículos de esta índole. No obstante, aplicar este concepto de micro-movilidad eléctrica a los patines y construir un vehículo suficientemente compacto, ligero y ergonómico, para que la experiencia resultante sea similar a patinar, ha supuesto un reto desde que se comenzó a madurar esta idea. Quizás, el sistema más conocido actualmente sea el “Patinete eléctrico”, pues su uso se ha extendido por todo el mundo como alternativa al vehículo privado de combustión interna, pudiendo ser clasificado como una solución a medio camino entre este y la bicicleta. Ilustración 21. Flujo de energía en un patinete eléctrico [13] Siendo la alternativa ideal para aquellos que buscan un transporte barato y sostenible más individualizado, los patinetes eléctricos han supuesto la mayor revolución en el mundo de la micro-movilidad hasta la fecha, llegando a superar el número de usuarios al de ciclistas en muchas ciudades del mundo. No obstante, resulta interesante recalcar que, a pesar de ser un medio de transporte sostenible, con nula emisión de gases y escasa emisión de ruidos, son vehículos no activos. Esto los sitúa en inferioridad respecto a los Vehículos de Propulsión Humana convencionales como la bicicleta o los patines, en términos de movilidad saludable. 39 Existen otros sistemas quizás menos empleados, pero con productos comerciales competentes, que complementan el creciente abanico de sistemas de micro-movilidad. A continuación, se muestran algunos ejemplos de los sistemas más conocidos. Ilustración 22. Vehículo monoeje autoequilibrado o “Segway” [14] Ilustración 23. Vehículo de eje flexible autoequilibrado o "hoverboard" [15] Ilustración 24. Monociclo eléctrico con autoequilibrado [16] Ilustración 25. E-Skate [17] 40 2.2.2 Marco Regulatorio El creciente uso de estos vehículos ha originado la necesidad de aplicar un marco regulatorio que restrinja su uso indebido, y marque unas pautas de fabricación, ensayos y calidad, así como condiciones de uso. El primer procedimiento en establecer una clasificación legal ante este tipo de vehículos, y los denomina como Vehículos de movilidad personal, es la Instrucción 16/V-124 de la DGT de 3 de noviembre de 2016 de la Dirección General de Gestión de la Movilidad. Ilustración 26. Esquema Comparativo VMP, Anexo 1 de la Instrucción 16/V-124 de la DGT Según este primer marco regulatorio establecido por la DTG desde el año 2016, unos patinen sen línea eléctricos quedarían incluidos en el subgrupo A, condicionados con una velocidad máxima de 20 km/h, no pudiendo superar los 25 kg y sin la obligación legal de disponer de un sistema de frenada activa. 41 No obstante, la normativa vigente corresponde a la Resolución del 12 de enero de 2022, de la Dirección General de Tráfico, por la que se aprueba el Manual de características de los vehículos de movilidad personal, que en su Sección primera define el concepto de VMP o Vehículo de Movilidad Personal como se cita a continuación. “Los Vehículos de Movilidad Personal, en adelante VMP, pueden tener diferentes usos, como por ejemplo el uso particular, alquiler o «sharing», servicios públicos, usos turísticos, etc., pero desde un punto de vista técnico, la única diferenciación que cabe hacer en cuanto a los requisitos a cumplir por los VMP, tal y como se recoge en la Sección 5, es la que se refiere a los siguientes tipos: – VMP para transporte personal. – VMP para transporte de mercancías u otros servicios.” En base a esta clasificación, recoge los aspectos técnicos requeridos y usos considerados para este tipo de vehículos, se muestran a continuación aquellos de interés en VMP para transporte de personas. Tabla 1. Sección 2 VMP para transporte de personas, ANEXO del Manual de características de los VMP [18] Es decir, en base a lo establecido en la normativa vigente y el Manual de características de los VMP, los patines eléctricos en línea, por ser un vehículo sin auto-equilibrado, tendrían una limitación de 25 km/h de velocidad máxima, y de 1000 W de potencia nominal, siendo esta la declarada por el fabricante del motor. Definiéndose la potencia nominal de un motor como el valor de potencia máxima mantenida por el motor durante 30 minutos en cumplimiento de las condiciones descritas en el apartado 4.3.14 de la norma EN 15194:2018 o bien según el Reglamento nº85 de la Comisión Económica para Europa de las Naciones Únicas. 48 En conclusión, el tren de potencia de un sistema de propulsión eléctrica lo componen: batería electroquímica, conductores eléctricos, motor eléctrico, transmisión mecánica y ruedas. Etapa de control: Una etapa de potencia puede considerarse un proceso completo en sí mismo, no obstante, carece de aplicación al ser ensamblado tal y como se ha descrito en el anterior apartado, debido a la falta de interacción del usuario sobre la aceleración o velocidad lineales del sistema. Para que una etapa de potencia resulte aplicable a un SPE, es necesario que todos sus elementos reciban una serie de consignas o señales de control. La coordinación y planificación de las consignas a fin de lograr que los parámetros físicos resultantes sean lo más semejantes posible al input deseado es la tarea del Etapa de control. 3.2 Clasificación de motores eléctricos, motor BLDC 3.2.1 ¿Qué es un motor eléctrico? Las denominadas máquinas eléctricas rotativas, son artefactos que emplean fenómenos electromagnéticos para transformar la energía eléctrica en energía mecánica o viceversa. Existen máquinas diseñadas específicamente para ejecutar aplicar esta transformación en una de las dos direcciones, comúnmente se las denominará motores cuando hayan sido diseñadas para la conversión de energía eléctrica en mecánica, y generadores si su función es obtener energía eléctrica a partir de energía mecánica. Las máquinas eléctricas implementadas en vehículos eléctricos lo hacen generalmente como actuadores, y por tanto se les suele denominar motores eléctricos. No obstante, es muy común el uso de la frenada regenerativa en vehículos eléctricos, tecnología en la cual el motor eléctrico pasa a ser empleado como generador. La energía eléctrica generada puede disiparse en forma de calor o ser de nuevo almacenada si el sistema de almacenamiento y la electrónica están preparados para ello. Toda máquina eléctrica rotativa se compone fundamentalmente de dos elementos: • Rotor: elemento suspendido sobre un eje capaz de generar o absorber energía mecánica en forma de par motor o resistente respectivamente. Para que pueda darse una conversión de energía en el estator es necesario que el rotor disponga de un campo magnético permanente (imán permanente o electroimán inducido o alimentado). 49 • Estator: elemento estático dentro o entorno al cual el rotor presenta un desplazamiento comúnmente angular. En él, se genera un campo magnético variable, este interactúa con el campo magnético permanente en movimiento del rotor para producir la conversión de energía sobre los devanados del estator. 3.2.2 Clasificación A continuación, se muestra un esquema taxonómico de las distintas tecnologías conocidas en el mundo de los motores eléctricos. Ilustración 30. Taxonomía de los motores eléctricos La primera categorización de motores eléctricos surge al analizar las características de la energía eléctrica que alimenta el estátor: Motores de corriente continua (DC) y motores de corriente alterna (AC). 3.2.3 Motores de corriente alterna Los motores de corriente alterna se pueden subdividir en tres categorías en base a la tecnología mediante la que se produce el campo magnético del rotor: • Motores de inducción: el campo magnético del rotor se genera como fruto de la inducción electromagnética entre los devanados del estátor y la jaula de ardilla o devanado del rotor, dependiendo del tipo de motor. También suelen denominarse motore asíncronos, debido a que el campo rotatorio inducido en el rotor gira siguiendo al campo rotatorio del estator (que gira a la velocidad de sincronismo) con una velocidad angular inferior, esta diferencia de velocidades se denomina deslizamiento. 50 • Motores síncronos: se denominan así debido a que el rotor gira a la velocidad de sincronismo o velocidad angular del campo magnético giratorio generado por el estator. El funcionamiento de cada tipo de motor de esta categoría es muy diferente. En los más comunes, el campo magnético del rotor es generado imanes permanentes compuestos de tierras raras. • Motores lineales: su funcionamiento es análogo al de los motores asíncronos o de inducción. De hecho, estos motores pueden entenderse como motores de inducción de radio “infinito”. El estator es comúnmente un rail en el que se ubican los devanados, y el rotor una plancha de aluminio o barras de aluminio cortocircuitadas cuya morfología permite el movimiento lineal de estas al interactuar con campo electromagnético del rotor. Históricamente el uso de estos motores se ha visto limitado a aplicaciones estacionarias y con pocas variaciones en la velocidad, debido a que la regulación de su velocidad requiere sistemas electrónicos de potencia que regulen la frecuencia y tensión de la corriente trifásica que alimenta el rotor y su funcionamiento en general a bajas revoluciones es muy ineficiente. Hoy en día su aplicación en vehículos eléctricos ha ido en aumento gracias a los avances en electrónica de potencia, que permiten aumentar la eficiencia global de los sistemas que emplean este tipo de motores, destacando el uso de los motores síncronos de imanes permanentes y reluctancia variable. No obstante, la aplicación de estos motores a la movilidad eléctrica queda relegada a sistemas más grandes y costosos, en los cuales la implementación de un motor de estas características sea viable. 3.2.4 Motores de corriente continua Por otro lado, los motores de corriente continua o DC son motores muy fáciles de controlar, sobre todo los motores de conmutación mecánica o escobillas, ya que su velocidad es directamente proporcional a la tensión de la corriente continua aplicada. Además, su característica par-velocidad ha resultado de interés a lo largo de la historia en su aplicación a los vehículos eléctricos. La base del funcionamiento de un motor de corriente continua o DC reside en la interacción de un campo magnético constante y un campo magnético conmutado o variable, encargado de generar una fuerza de atracción y repulsión entre polos magnéticos. Existen dos formas de realizar la conmutación del campo magnético variable: • mediante escobillas, motores brushed. • mediante electrónica, motores brushless. 51 Tabla 3. Tabla comparativa entre motores Brushless DC y motores con escobillas Motor BLDC Motor Brushed Conmutación Conmutación electrónica basada en sensores de posición o BEMF Conmutación mecánica mediante escobillas Mantenimiento Bajo rozamiento, mantenimiento mínimo Las escobillas requieren un mantenimiento periódico Vida útil Mayor que el motor brushed Menor que un motor BLDC Curva par / velocidad Par inversamente proporcional a la velocidad, el arranque está muy condicionado al tipo de control y sensores de posición Par decreciente con el aumento de las RPM siguiendo una función racional, y=1/x debido al efecto del rozamiento de las escobillas Eficiencia Muy alta, no hay pérdidas por rozamiento Moderada, condicionada a las pérdidas por rozamiento Densidad de Potencia Alta, debido a que son motores más compactos y con mejor disipación del calor. Además, el calor producido por el rozamiento de las escobillas desaparece. Menor, la alta generación de calor por rozamiento y baja disipación térmica hacen necesario aumentar el tamaño del motor para mejorar la disipación térmica. Inercia del rotor Menor, dado que el rotor está compuesto de imanes permanentes Mayor, el rotor lo compone un núcleo ferromagnético devanado Rangos de velocidad Muy amplio, buen funcionamiento a bajas revoluciones y limitación de velocidad por conmutación electrónica despreciable Menor al que presenta un motor BLDC debido a limitaciones de velocidad causadas por la conmutación mecánica Ruido eléctrico Bajo, debido a la alta eficiencia y el bajo rozamiento Se generan arcos eléctricos en la conmutación que producirán interferencias en los sistemas cercanos. Esto puede provocar problemas de comunicación en emisoras y receptores Coste Alto, debido a la necesidad de emplear imanes permanentes Bajo debido a su simplicidad y el uso de materiales baratos Control Requiere de métodos de control más complejos que encarecen la electrónica empleada Electrónica simple y barata De la tabla anterior se puede concluir que el funcionamiento de un motor BLDC es mucho más interesante para el proyecto, ya que no solo presenta una densidad de corriente mucho mayor, reduciendo el peso final de los patines, sino que además la eficiencia, y por tanto la futura autonomía del vehículo es significativamente mayor. El único inconveniente es la necesidad de una controladora de velocidad o ESC que encarecerá el coste final del prototipado. No obstante, el precio de los componentes electrónicos se ha reducido considerablemente durante los últimos años, reduciendo por tanto el peso del coste de la electrónica en decisión. 52 3.2.5 Tipos de motor BLDC Sensored y Sensorless Como ya se ha comentado, la conmutación de los motores BLDC se realiza mediante una electrónica denominada ESC, del inglés “Electronic Speed Controller” o variador, la cual para alimentar los devanados correspondientes a cada fase de conmutación necesita conocer la posición relativa, y por tanto velocidad, entre los polos del rotor y el estator. El conocer esta posición, permite al variador realizar distintas estrategias de conmutación en función de la velocidad del rotor, logrando arranques desde velocidad 0. Que serán más o menos suaves dependiendo de la estrategia de control empleada (Escalares, como la trapezoidal o sinusoidal, o vectoriales como la FOC). Hay dos formas de obtener esta posición: sensores de posición y BEMF. Sensores de Posición Existen fundamentalmente cuatro tipos de sensores de posición empleados en este tipo de motores: • Encoders • Sensores inductivos • Resolvers • Sensores de efecto hall Los más empleados en motores BLDC debido a su fiabilidad, bajo coste y compacto diseño, son los sensores de efecto Hall o de campo magnético. Ilustración 31. Montaje de sensores de efecto hall en un motor BLDC Outrunner [25] 53 BEMF La metodología de control mediante BEMF, del inglés “Back Electro Motive Force” o fuerza electromotriz de retorno, emplea el fenómeno BEMF como interpolación de la posición relativa de los imanes permanentes del rotor sobre el devanado del estátor en un motor BLDC. Cuando se aplica un voltaje (una fuerza electromotriz) al inducido de un motor la corriente correspondiente fluye por sus devanados, creando una fuerza magnética que hace que el inducido gire. De igual manera, una fuerza contraria en forma de corrientes de Foucault se podría generar debido al giro del inducido en el interior del campo magnético del estator. Esta fuerza contraria se denomina fuerza contra - electromotriz o FCEM (BEMF, por sus siglas en inglés). A mayor es la velocidad de giro del inducido, más FCEM se produce sobre los devanados. Esta FCEM puede medirse analizando la diferencia de FCEM aplicadas sobre cada uno de los devanados del motor. Ilustración 32. Técnica de control por diferencias de FCEM (a) diferencias de FCEM entre fases y sus correspondientes corrientes; (b) esquema del circuito ZCP (c) Simulación, formas de onda de tensión en los terminales de un motor BLDC y sus correspondientes diferencias en las FCEM [26] 54 Inrunner y Outrunner Otra diferenciación dentro de los motores BLDC, surge de la disposición rotor estator, dándose configuraciones inrunner o de rotor interno y outrunner o de rotor exerno. En las configuraciones inrunner, el rotor se compone de un eje interno sobre el cual se montan los imanes permanentes. Alrededor de este se encuentran los núcleos devanados del estátor, que va montado en el perímetro interno de la carcasa. Mientras que las configuraciones outrunner, el rotor se monta directamente sobre la carcasa exterior, la cual gira solidaria al eje central. Entre el eje central y los imanes permanentes se encuentran los devanados del estátor. Las diferencias son las siguientes: • Mayor par en motores outrunner (el rotor perimetral ofrece un mayor brazo de aplicación del par electromagnético) • Frecuencia de conmutación más alta en motores outrunner • Velocidades (rpm) mayores en motores inrunner (menor inercia del rotor) • Mismo número de fases, 3, pero mayor número de dientes por fase en motores outrunner. • Mayor diámetro de los rodamientos en outrunner, pueden ser mucho más resistentes. En el caso de inrunner, los rodamientos están limitados por el tamaño del eje y el bobinado (estator) • Los motores inrunner son más seguros respecto a posibles contactos directos, ya que solo gira el eje central y no toda la carcasa Ilustración 33. Esquema comparativo, motores BLDC outrunner e inrunner [27] 55 Capítulo 4: Metodología y objetivos del diseño 4.1 Metodología de diseño Debido al amplio rango de toma de decisiones y el entramado de restricciones que supone el desarrollo de un Sistema de Propulsión Eléctrico, se propone emplear un sistema o metodología a fin de facilitar y organizar este proceso. Para ello, se emplea un método de Diseño Basado en Restricciones o en inglés "Constraint-Based Design” mediante un esquema de tipo arborescente. De esta forma, el desarrollo de los cálculos y diseños, así como la correspondiente la toma de decisiones, se estructura conforme a los flujos condicionales o restrictivos existentes entre cada elemento, subsistema y sistema. Siguiendo esta metodología, el primer paso es analizar que Subsistemas y Elementos se necesitan diseñar para definir el sistema global, lo cual resulta sencillo en base a lo expuesto en los anteriores apartados. De cara a realizar el esquema los elementos y subsistemas se ubican en el plano acercando aquellos que presenten mayor número de condicionantes electromecánicos entre ellos, es decir aquellos que se encuentren más cerca en el esquema eléctrico o mecánico del Sistema, o bien queden condicionados por formar parte de otro componente. El siguiente paso sería definir los primeros condicionantes de diseño. Lo más sencillo es empezar creando un nodo al que definimos como “Funcionalidades deseadas”. Las funcionalidades esperadas en el producto final son el la condición de partida o “input” para el diseño de algunos de los elementos que a su vez definirán muchos de los parámetros condicionantes para la elección y diseño del resto de elementos o subsistemas. Ilustración 34. Esquema de proximidad condicional 56 Ilustración 35. Esquema de condicionamiento funcional Finalmente, se analizan al completo los condicionantes electromecánicos entre cada uno de los elementos. Las condiciones se expresan como vectores que enlazan un elemento con otro, quedando definida la direccionalidad de la condición mediante la propia del conector empleado. Al igual que en el primer diagrama, se muestran mediante el correspondiente código de color las condiciones eléctricas, mecánicas o de pertenencia. Con esta metodología las decisiones iniciales son fundamentales, pues condicionan el resto del diseño en cada etapa de prototipado. Ilustración 36. Esquema arborescente de condicionantes al diseño 57 4.2 Parámetros funcionales y objetivo Se recogen a continuación los valores objetivo para los distintos parámetros funcionales del sistema: • Velocidad: Cumpliendo con el margen normativo para VMP de transporte personal, se define el primer hito de velocidad 5 km/h por debajo del límite normativo para circulación en carriles 30 para este tipo de vehículos, es decir, en 20 km/h. No obstante se tendrá en cuenta la limitación normativa en todos los prototipos desarrollados. • Par: Se pretende desplazar a una persona de 70kg con facilidad en pendientes de hasta el 15%, para lo cual, se calculará y dimensionará el motor y el sistema electromecánico de forma que desarrolle el par mecánico suficiente para este fin. • Peso máximo de 3 kg por pie o 6 kg totales, de forma que el SPE no aumente el peso original más de 1,5 kg por patín (3,1 kg es el peso total de los patines originales) • Autonomía: en el primer prototipo, se define como objetivo alcanzar una autonomía de 8 km. Tecnologías similares como los hoverboards o e-skates disponen de media unos 10 km de autonomía, considerando que los primeros son sistemas de menor potencia que no suelen superar los 15 km/h y los e-skates son tecnologías menos exigentes en cuanto a tamaño y peso del sistema de almacenamiento. Además, los trayectos más frecuentes en ciudades medianas como Valladolid se encuentran entre los 3 y los 5 km. No obstante, tras optimizar el sistema se espera alcanzar autonomías superiores a los 10 km al finalizar el segundo proceso de prototipado. • Precio: Se estableció un límite de costes de 250 euros para el primer prototipo del SPE y entrono a 150 euros para la compra del patín base. De forma que el primer análisis de viabilidad del proyecto no presentase un riesgo económico sustancial. Tras la validación de una primera versión funcional, el presupuesto aumentará, se espera que la última versión o prototipo óptimo del SPE no supere los 450 euros, definiendo un precio total en materiales del producto inferior a 600 euros. • Uno de los conceptos distintivos que persigue este proyecto, es desarrollar un sistema híbrido entre un VPH y un SPE, de forma que el SPE asista al usuario. Es por ello por lo que una de las condiciones esenciales para los primeros prototipos es la existencia de un sistema de desacople VPH-SPE. 64 Volviendo al análisis de la constante de velocidad o KV, ésta queda condicionada a la velocidad máxima a alcanzar o 20 km/h, la relación de transmisión, y la tensión de funcionamiento (14,8V). Con lo cual la elección de la KV del motor queda directamente relacionada con la relación de transmisión. Habría que definir una de las dos variables para obtener como resultado la otra. Para acotar la relación de transmisión se definió antes el tipo de transmisión a emplear y los diámetros máximos de ruedas motriz y conducida. El sistema escogido para la transmisión fue una correa dentada HTD 3M de 10 mm de ancho (adecuado para el vástago del motor 5065, y para el diseño del sistema de desacople VPH-SPE), 408mm de longitud y 136 dientes. El diámetro máximo de la rueda conducida se definió considerando una inclinación de en torno al 20% entre el patín y la perpendicular al terreno, aplicando un factor de corrección de 0,8 a los 110 mm de diámetro de la rueda de los patines Houdini Pro obteniendo un límite de 88mm. Por otro lado, existe una limitación mínima de diámetro, condicionada por la rueda libre (siguiente apartado) diseñada para el desacople del VPH y SPE, cuyo diámetro exterior con los piñones es de 77 mm, pudiendo ganar margen de hasta 20 mm al eliminar dichos dientes. La rueda motriz queda limitada exteriormente por los puntos de anclaje del estátor, que distan del eje del rotor 30 mm siendo los tornillos empleados M4, cuya cabeza tiene un diámetro de 7,22 mm resulta en un diámetro máximo de la rueda motriz de 22,78 mm. Mientras que la rueda motriz comercial de menor diámetro encontrada para correas HTD 3M tiene un diámetro a la altura media del diente de 13,56 mm. Mediante estos parámetros se pueden hallar los márgenes de diseño para las relaciones de transmisión, recogido en la siguiente tabla. Tabla 4. Márgenes de diseño para la relación de transmisión D.ext rueda libre (mm) 77 D anclajes estator (mm) 30 Margen hasta perímetro (mm) 20 D cabeza M4 (mm) 7,22 D.mín conducida (mm) 57 D.máx motriz (mm) 22,78 Rt mín teórica 2,50 D rueda Patín (mm) 110 D.mín rueda motriz HTD 3M comercial (mm) 13,56 F. Reducc. Inclinación 0,7 D.máx conducida (mm) 77 Rt máx teórica 5,68 65 A partir de los márgenes de diseño de la relación de transformación, se analizó para la tensión de funcionamiento de 14,8 V que constante de velocidad podría ser la más adecuada. Tabla 5. Elección de la Constante de Velodidad o KV Análisis previo, Relación de Transimsión para alcanzar 20 km/h V nominal (V) KV (rpm/V) RPM nominal V.máx motriz (km/h) Rt máxima 14,8 140 2072 42,96 2,15 D rueda (mm) 270 3996 82,86 4,14 110 320 4736 98,20 4,91 Para alcanzar los 20 km/h, la relación de transmisión máxima del motor de 140 KV es insuficiente para mantenerse dentro de los márgenes de diseño, aumentar la relación para entrar en los márgenes reduciría la velocidad lineal alcanzada hasta 17 km/h. La duda se limita pues a los motores de 270 y 320 KV, ambos motores cumplirían los márgenes establecidos, no obstante, una mayor constante de velocidad, ofrece mayor margen de maniobra de cara a reducir la relación de transmisión en futuros prototipos y seguir dentro de los márgenes, razón que llevo a la elección del motor de constante 320 KV, con una relación de transmisión final de 5 a fin de simplificar el diseño de las ruedas conducida y motriz. Definida la KV del motor y la relación de transmisión, se define una rueda motriz comercial que cumpla con los márgenes definidos, aplicando la rt, la rueda conducida resultante cumplirá. La rueda escogida fue una HTD 3M 15T de 15 dientes de 10 mm de anchura. Lo cual define una rueda conducida con 75 dientes. Con estas ruedas, y la correa escogida (408 mm y 136 dientes), se realiza el cálculo de la distancia entre ejes llegando a un valor de 130 mm. Ilustración 41. Rueda motriz HTD 3M 15T 66 5.1.6 Electrónica Otro elemento que se aprovechó del modelismo RC, y del que ya se disponía, fue el sistema de emisor receptor o en sí mismo Radio Control. Consta de una emisora FlySky FS-GT3B de 3,4 GHz y un receptor FS-GR3 de 3 canales, 3 puertos de conexión CAN, comúnmente dedicados para (1) alimentación y control de motor, (2) control de servomotor y (3) otros usos, y un cuarto puerto de alimentación independiente. Ilustración 42. Sistema RX/TX Prototipo V1 Con el resto de los componentes del sistema eléctrico y de control definidos, la elección del variador o ESC redunda a una búsqueda de la solución comercial más económica que cumple las condiciones definidas. Los valores empleados como input para la elección de un variador son: • Tensión nominal de funcionamiento: 14,8 V • Tensión máxima de la alimentación: 16,8 V • Corriente nominal y pico consumida por el motor: 60 A y 80 A • Puerto CAN para la conexión al receptor • Compacto • Económico La mejor solución encontrada fue el variador RedBrick de 125 A nominales, 140 A de corriente máxima soportada y un rango de tensiones de 2S a 7S (7,2-25,9V) según la hoja de características aportada por el vendedor. 67 Ilustración 43. Red Brick 125A 2-7S Este tipo de variadores realizan técnicas de control trapezoidal, y emplean un sencillo chip que calcula el BEMF o Back Electromotive Force para inferir la posición del rotor, sobre todo de cara a lograr arranques suaves y efectivos del rotor. En esta etapa de modelado inicial se ha preferido una opción barata y sencilla de control, de cara a reducir el coste de la primera fase de prototipado. A continuación, se muestra un resumen de los parámetros del sistema eléctrico. Tabla 6. Resumen características Sistema Eléctrico Parámetros de la Batería LiPo 4S 90C Capacidad I máx. descarga nominal I máx. descarga pico Peso 8000 mAh 360 A 720 A 752,6 g V mín V nominal V máx Dimensiones 13,2 V 14,8 V 16,8 V 65*43*138mm Parámetros de motor N5065 320KV V vacío V nominal 4S V máx. pico Potencia para 4S Peso 13,0 V 14,8 V 41,5 V 888,0 W 60 g I vacío I máx. nominal I máx. pico Dimensiones 1-3,3 A 60,0 A 80,0 A 50*65 mm Parámetros de ESC Red Brick 125 A Celdas V min V máx. Peso 2-7 S 6,6 V 29,4 V 100 g BEC I nominal I pico Dimensiones No 125 A 140 A 78*38*20 mm 68 5.1.7 Desacople VPH-SPE Uno de los mayores retos para este primer diseño fue el diseño de un sistema con el que desacoplar el Sistema de propulsión humana, la patinada, del sistema de propulsión eléctrica que estamos diseñando. Esta separación permite adaptar el nivel de asistencia recibida por el SPE a las necesidades de cada contexto. De forma que, si no se acciona el motor BLDC, el usuario pueda continuar patinando con normalidad, sin arrastrar a cada paso la transmisión y el rotor del motor. Inicialmente se plantearon dos soluciones a fin de dar cumplimiento a esta necesidad. Embrague de rodillo la primera idea se centra en desarrollar un dispositivo capaz de embragar y desembragar dos componentes rotativos accionando un brazo que ponga en contacto sus superficies, o las separe. El sistema estaría compuesto por un rodillo unido rígidamente a rueda conducida, anclado axialmente mediante un rodamiento a un brazo que, accionado por un servomotor, lo apoye sobre el perímetro de la rueda trasera. Ilustración 44. Prediseño del sistema de embrague por rodillo La complejidad de encontrar un servomotor suficientemente económico capaz de ejercer suficiente torsión sobre el brazo para que la fricción entre ambas superficies sea suficiente, y del compacto diseño mecánico requerido, llevo a descontinuar este diseño. 69 Trinquete o rueda libre Un trinquete es un sistema comúnmente compuesto por dos anillos concéntricos alineados, que, mediante varios cilindros dispuestos perimetralmente sobre una serie de muelles, permite acoplar ambos anillos cuando el movimiento relativo entre ambos tiene un sentido de giro, y permitir que giren libremente en el opuesto. También existen versiones construidas mediante dientes y uñetas. Ilustración 45. Detalle de funcionamiento de un trinquete [30] Existen numerosos ejemplos de su aplicación en múltiples campos de la industria y el transporte. Quizás su aplicación más convencional y a su vez cercana a la aplicación deseada es el de las ruedas libres del buje trasero de una bicicleta convencional. Ilustración 46. Rueda libre integrada en casete de bicicleta convencional [30] 70 Inicialmente se plantea la opción de diseñar y fabricar un sistema similar, a fin de adaptar el concepto de rueda libre a unas dimensiones y aplicación para la que no se tiene constancia de su uso. Para lo cual se planteó el uso de programas de diseño CAD e impresión 3D mediante filamento. Primeras versiones A fin de optimizar el proceso de ingeniería y ahorrar tiempo, se realizó una búsqueda en repositorios open-source de ruedas libres diseñadas específicamente para ser impresas, a fin de adaptar estos diseños a los parámetros definidos de la transmisión y la rueda trasera. Se muestran a continuación el diseño escogido, y el rediseño realizado mediante la herramienta TinkerCAD. Ilustración 47. “One way clutch bearing”, egholm_thomasis, Creative Commons – Attribution license. Ilustración 48. “One Way Clutch / Free Wheel / HTD 3M 75T”, vientos_project Creative Commons - Attribution - Non-Commercial - Share Alike license. [31] La razón por la cual se escogió este diseño reside en la capacidad de alinear ambos anillos sin un encapsulamiento externo, simplificando el diseño y pudiendo fabricar todo el componente en una sola impresión (diseño “Print in Place”). Para lograrlo se emplean rodamientos en forma de reloj de arena o doble tronco cónico. 71 Las modificaciones realizadas se centran en adaptar la rueda libre para su uso como rueda conducida HTD 3M 75T y su anclaje a la rueda del patín. • Redimensionado para un Ømáx de 68,7 mm calculado para asentar la base de los 75 dientes HTD 3M para una rueda de Ømáx. = 71,62 mm • Orificios de 4 mm para los tornillos de acople a la rueda de 110 mm. • Espacio de Ø22x7 mm para ubicar el rodamiento ABEC • Orificio central cilíndrico de 8 mm para el eje. Ilustración 49. Distintas iteraciones de diseño de la rueda libre Tras analizar el comportamiento de la pieza, se concluye que, para obtener una fuerza de rozamiento suficiente en la dirección de acople o bloqueo, la impresión se debía realizar con un margen tan reducido, que el aplastamiento del extrusor de la impresora 3D sobre el filamento al depositarlo acabaría fusionando ambos sólidos inutilizando la pieza. Por otro lado, la solución realizada enteramente mediante impresión 3D tendría un desgaste mucho mayor que una rueda libre comercial, resultando de utilidad para la obtención de un modelo físico enfocado a ensayos, pero no de cara a un prototipo funcional o una versión estable del proyecto. Además, debido a errores imperceptibles en el diseño debido a las limitaciones de la herramienta de diseño empleada entonces, el margen de variabilidad en el acabado superficial de la impresión 3D y la sensibilidad de un estándar para correas tan preciso como el HTD 3M en un diámetro de 71,6 mm, provocaban saltos de diente cada 5 o 6 vueltas, originando desgastes en la correa y pérdidas momentáneas de par. 72 Versión final Finalmente surge la idea de combinar lo mejor de un producto comercial, resiliente, barato, fácil de encontrar y reemplazar, y de la fabricación FDM o mediante impresión 3D, que permite una rápida obtención del modelo físico de un diseño propio, fácil iteración y rediseñado de la pieza y creación de morfologías tan complejas como la imaginación sea capaz de confeccionar. Ilustración 50. Rueda libre mono - velocidad Se realizó el diseño de un elemento compuesto entre una rueda libre monovelocidad de bicicleta reaprovechada y adaptada, y dos piezas de PLA que ensamblarían en armonía el diseño original del trinquete con la rueda del patín, la rueda conducida y el eje. Ilustración 51. Diseño de piezas de ensamblaje y procesado adaptativo de la rueda libre compuesta V1 73 Las características más destacadas del diseño serían: • Uso de librería open-source GrabCAD [32], para diseño de la “FreeWheel” 18T Comercial. Diseño original del usuario Rajeev Hemmady. • Adaptación de la rueda libre al diámetro límite que asegura una separación rígida y homogénea de al menos 1 mm hasta la base en que asienta la rueda conducida. • Reaprovechamiento de las formas nativas de la rueda libre para anclarla rígidamente a las piezas de acople. La pieza interior se ensambla aprovechando la rosca interna del trinquete y dos pequeñas chavetas ubicadas en opuestos diametrales del perímetro interno. Mientras que la pieza exterior aprovecha la geometría restante del corte realizado a los dientes externos de la rueda libre. • Reaprovechamiento de parte de la correa deteriorada durante el ensayo de las anteriores versiones del diseño para conformar la superficie dentada de la rueda conducida de esta versión. Para ello se adhiere de la cara lisa de la correa a la base diametral exterior de la pieza de ensamblaje externa. La precisión del cálculo del diámetro necesario para cumplir con el diámetro medio y número de dientes fue primordial para un buen resultado. • Dimensiones totales: Ø82,6*15 mm Ilustración 52. Ensamblaje de la rueda libre compuesta V1 80 5.2.2 Raíl y ensamblaje general Tras la obtención del diseño final del rail, se realiza la impresión en A3 a escala 1:1 del plano de perfil del mismo, de cara a adherirlo sobre una plancha de metacrilato de 50x50 mm. El mecanizado de las piezas de acrílico se realizó con una pequeña amoladora o Dremel. Empleándose un disco de corte para materiales plásticos, una lija y una broca de 4 mm. El corte se realizó a bajas revoluciones para evitar que el material se fundiese. Para el montaje de la estructura se empleó un adhesivo que junto con la rigidez aportada por los propios ejes del patín fue suficiente para mantener la estructura. Ilustración 58. Maqueta lista para los primeros ensayos Como se aprecia en la imagen, en este ensayo no se montó la rueda delantera, por no formar parte del SPE. Cabe destacar que tanto este primer modelo como los dos prototipos realizados, proponen un único SPE en el patín izquierdo, a fin de simplificar el proceso de prototipado, pudiendo extrapolar fácilmente las conclusiones obtenidas a un sistema con ambos pies motorizados. El montaje completo se realizó tras los ensayos del SPE para validar el diseño y asegurarse de que los márgenes establecidos para ubicar la electrónica y evitar el contacto con las ruedas eran suficientes. 81 5.3 Ensayos y conclusiones Fundamentalmente se realizaron tres ensayos de validación: eléctrico, estructural y de Transmisión y prestaciones mecánicas. 5.3.1 Eléctrico: Antes de comenzar con la fabricación de la maqueta se comprobó el correcto funcionamiento del sistema eléctrico y de control, no obstante, en este punto validaron los componentes en un entorno similar al uso real. Dándose por comprobado que presentaban un comportamiento adecuado, sin calentamiento excesivo de los componentes, incluso ante situaciones de alto pare resistente y bloqueos del rotor. 5.3.2 Estructura: La validación del diseño de la estructura comienza con la fase de ensamblaje, donde se comprobó que las dimensiones de diseño, los márgenes y los entornos de acople de los distintos componentes fueron óptimas. En este aspecto, se confirma que, la distancia entre rueda motriz y la conducida con la correa bajo la tensión adecuada era algo superior a la esperada (135 mm frente a los 130 teóricos) pero dentro de los 40 mm de margen. Además, las correas son un elemento que requiere recalibrados frecuentes de la tensión, tanto por dilatación y contracción ante cambios de temperatura como por desgaste. Finalmente, se detectó pandeo en el perfil al que se ancla el motor, causado por tensión de la correa que tendía a desviar el eje del rotor hacia la rueda. 5.3.3 Transmisión: Se realizaron dos pruebas al sistema de transmisión. La primera prueba consistió en mantener el motor a un ciclo de trabajo de entorno al 50%, mientras se aplicaba un par de frenada externo constante. Esta situación se prolongó durante varios minutos. Se pudo comprobar así que el sistema no tenía fallos críticos en cuanto a transmisión mecánica, la correa se mantuvo alineada, y el problema de salto de dientes presentado con la primera versión de la rueda libre había desaparecido. Además, al final del ensayo los anclajes de la transmisión sobre las ranuras del rail se desplazaron perdiendo parte de la tensión sobre la correa. El segundo ensayo consistió en realizar mediciones de la velocidad angular en revoluciones por minuto del rotor del motor BLDC y los valores correspondientes para la rueda conducida. Con este procedimiento logramos tres verificaciones: comprobación de la constante de velocidad del motor BLDC, la relación de transmisión y la velocidad lineal máxima de la rueda. 82 Para ello se empleó un tacómetro laser, y pegatinas reflectantes que se adhirieron a las superficies perimetrales del rotor y la rueda. Ilustración 59. Tacómetro digital láser, DT-2234C+ Se recogen a continuación la media de los datos obtenidos y los cálculos realizados. Tabla 7. Medidas y cálculos experimentales de la transmisión, maqueta inicial Medidas y cálculos experimentales V nominal (V) w media motor (rpm) KV experimental (rpm/V) Rt experimental 14,5 4735 326,55 4,98 D rueda (mm) w media rueda (rpm) V máx. real en vacío (km/h) 110 951 19,71 5.4 Conclusión: Como conclusión, los resultados obtenidos del análisis del modelo físico respecto a los diseños y componentes elegidos son en general favorables. Como condiciones a tener en cuenta para el prototipo funcional se tendrían: • Pandeo en el perfil de anclaje del motor BLDC. • Distancia real entre ejes de la transmisión de 135mm. • Optimización de tolerancias entre la rueda libre y la rueda del patín. • Nueva metodología para el tensado de la correa, evitando desplazamientos de los anclajes sobre las ranuras. 83 Capítulo 6: Prototipo Mk1 6.1 Rediseño inicial, Estructura y anclaje del motor: Teniendo en cuenta los resultados de los ensayos sobre el primer modelo físico, se realizaron las modificaciones pertinentes sobre el diseño del raíl. Ilustración 60. Diseño del raíl, versión Mk1 V2 Modificaciones realizadas respecto al anterior diseño (Mk1 V1) 1. Sustitución de las ranuras por orificios fijos de 8 mm en los ejes del patín, eliminando el posible deslizamiento por la ranura. Teniendo en cuenta la medida experimental de la distancia entre ejes de la transmisión (135 mm) realizada sobre la maqueta. Además, se añade un segundo orificio a 15 mm para aumentar el rango del sistema de tensión de la correa propuesto. 84 2. Se propone un nuevo diseño para el anclaje del motor BLDC empleando una cruceta de aluminio para realizar un anclaje más rígido sobre puntos más alejados del perfil La cruceta se unirá al raíl mediante 4 orificios situados a 56 mm de diámetro del eje del motor, con un diámetro de 4 mm. Se añaden otros 4 orificios al diseño formando 45º con los anteriores, con una distancia al eje de 30 mm y también 4 mm de diámetro, a fin dar acceso a los 4 tornillos que unirán el motor a la cruceta de anclaje. Ilustración 61. Cruceta de anclaje de aluminio para el motor N5065 3. Dado que se han eliminado las ranuras en base a las complicaciones presentadas al ensayar el modelo físico, es necesario desarrollar una nueva metodología para el tensado de la correa. Para ello se plantea en este diseño incorporar dos barras metálicas que cruzan de lado a lado la estructura portando un rodamiento que apoya directamente sobre la cara lisa de la correa. La fuerza con la que el tensor ejercerá presión sobre la correa dependerá de la posición en la cual se ancle respecto al eje de simetría de esta, razón por la cual se realizan dos ranuras verticales entre el motor y el eje de la rueda. Hay que destacar, que lo anterior se diseñó pensando en una doble función, ya que dichas barras mejorarían la rigidez estructural del raíl. Por lo cual, se disponen las ranuras de forma simétrica en la parte frontal y trasera del patín obteniendo un a rigidez similar en toda la estructura. 4. Por último, se añadió un espacio en la zona superior del marco para ubicar el variador o ESC, las dimensiones se han definido de forma que exista margen suficiente entre la batería, la bota y el raíl para ubicar dicho componente. 85 6.2 Fabricación y montaje del prototipo 6.2.1 Fabricación Para la fabricación de este primer prototipo del raíl, se emplearon los siguientes materiales y herramientas: • Chapas de acero de 2 mm reutilizadas a partir de dos paneles de restos industriales. • Tornillería: 2xM8x60mm, 4xM4x40mm y 4xM4x15mm • Varillas metálicas de 8 mm para reforzar las soldaduras. • Amoladora y mini amoladora, discos de corte, devastado y lijado. • Taladro vertical y brocas de metal de 4 y 8 mm • Soldador Inverter y electrodos. • Gafas de protección, mascarilla y guantes. Ilustración 62. Una de las planchas de acero empleadas, con el diseño adherido y lista para mecanizar El procedimiento realizado para la obtención del rail o marco en este primer prototipo es similar al empleado para la realización de la maqueta de acrílico. Primero se adhiere el diseño impreso en A3 a la plancha de acero, tras lo cual se realizaron los cortes más toscos mediante una amoladora con disco de corte para metal. Las curvas más complejas y el interior de las ranuras para el motor y la batería se realizaron aplicando múltiples cortes perpendiculares a la línea de corte, los cuales se completaron con el uso de la mini amoladora. Para los agujeros de tornillos y ejes se emplea un taladro vertical y una mordaza o tornillo de banco. 86 Tras finalizar el mecanizado, se refina el acabado con una amoladora con disco de desbaste, una mini amoladora con una lija cilíndrica, y una lija de mano. Ilustración 63. Mecanizado de las planchas, corte perimetral finalizado Para unir ambas caras del raíl, con las superficies de anclaje se realizan cuatro hilos de soldadura de electrodo mediante una soldadora invertir de la marca Metal Works, con las siguientes características. • Peso neto: 5,2 kg • Dimensiones: 335 x 125 x 200 mm • Tecnología IGBT (transistor bipolar de puesta aislada) • Campo de regulación: 10 - 200 A • Tensión de red: AC230V ±15% • Potencia máx. absorbida: 7,52 kW • Clase de aislamiento: F • Corriente máx. (A): 60% 180 A • Ø electrodo: 1,6 - 4 mm • Equipada con protección térmica • Clase de protección IP21 Para fortalecer los hilos, se añade material a la unión con dos varillas de acero de 8 mm de diámetro. Ilustración 64. Soldadora Inverter [45] 87 6.2.2 Montaje Ilustración 65. Entorno de montaje y refinado del prototipo Mk1 tras su fabricación Tras el proceso de fabricación de la estructura, se realizó el montaje de los distintos componentes, lo que sacó a la luz pequeños errores dimensionales de fabricación, que fueron corregidos mediante la mini amoladora. A continuación, se muestran imágenes descriptivas del proceso de montaje. Ilustración 66. Detalle del anclaje para el motor N5065 en la estructura del prototipo Mk1 88 Ilustración 67. Montaje del motor N5065 y detalle de la rueda motriz HTD 3M 15T Dado que se ajustó en el último diseño la distancia entre ejes de la transmisión a la medida en el primer modelo físico, la tensión de la correa fue prácticamente la deseada, realizando un tensionado fino mediante el ajuste de la distancia en cada uno de los cuatro puntos de apoyo de la cruceta de anclaje a los tornillos M4x50 del raíl. Ilustración 68. Ensamblaje completo de los componentes mecánicos del SPE, prototipo Mk1 89 Finalmente, se procedió al ensamblaje completo del prototipo y conexionado de los componentes del sistema eléctrico. Ilustración 69. Prototipo Mk1 completo Dado que el primer prototipo estaba enfocado a ser modificado, reajustado y optimizado, la electrónica se ensambló en esta primera fase mediante bridas, y el cableado se realizó de forma que todas las conexiones quedasen fácilmente accesibles. En este primer prototipo solo se realiza una estructura o raíl, en concreto destinada a su aplicación sobre el patín izquierdo. De forma que, el patín derecho mantuvo la estructura original. Ilustración 70. Raíl original de las botas Fila Houdini Pro, FSK, 248 mm, 3x110 mm 96 Para ello, se realizaron diferentes cambios sobre el último diseño de rueda libre, actuando así sobre el sistema de transmisión al completo: Modificaciones a la rueda libre comercial Se aplicó una reducción del diámetro máximo del trinquete comercial, hasta el mínimo definido en los cálculos iniciales de la transmisión en la Tabla 4 (57 mm). Permitiendo así la reducción del diámetro máximo de la rueda conducida, y por consiguiente su número de dientes hasta 60T. Con esta modificación se esperan obtener dos cambios sustanciales en el funcionamiento mecánico del prototipo. Primero, con la reducción del diámetro máximo de la rueda libre compuesta a 60 mm, se logra aumentar el ángulo máximo de inclinación a un 45,5%, superando en todo momento la inclinación máxima esperada durante su uso, según los ensayos realizados. La reducción del número de dientes en la rueda conducida manteniendo la rueda motriz HTD 3M 15T, conlleva una reducción del 18,5% de la relación de transmisión. Tabla 8. Cálculo de la nueva relación de transmisión y velocidad lineal máxima, prototipo Mk1 Nueva relación de transmisión y velocidad lineal máxima prototipo Mk1 V nominal (V) Nº Dientes Conducida Nº Dientes Motriz Nueva Rt Variación % 14,8 60 15 4,00 D rueda (mm) RPM máx. a V nominal RPM máx. Conducida Nueva V lineal máx. 18,53 110 4736 1184,00 24,55 De esta forma, la nueva relación de transmisión supondría una reducción del 18 %, con una reducción equivalente de la multiplicación de par en la rueda conducida respecto a la motriz, por consiguiente, un aumento en la misma proporción de la velocidad angular de la esta. La velocidad lineal máxima del sistema bajo estas condiciones junto con los cálculos pertinentes se muestra en la siguiente tabla. Bridas o Guías de alineación Guías laterales de la rueda conducida o bridas con chaflán a 20% para evitar desalineación o descarrilamiento de la correa. Ilustración 77. Alzado del diseño de rueda libre compuesta V3, prototipo Mk1 97 Optimización en el anclaje a la rueda trasera Para ello se diseña una camisa para albergar el rodamiento de la rueda trasera del patín, a fin de evitar el contacto de la base de la rueda libre compuesta sobre el perfil exterior de este. Ilustración 78. Perspectiva zona inferior, rueda libre V3, prototipo Mk1 Con lo que se espera que la superficie de asentamiento de la rueda libre compuesta sobre la rueda del patín sea únicamente la superficie interna de la rueda, lo que supondría un contacto con mayor en diámetro y de mayor homogeneidad superficial. Solución, que pretende reducir la desalineación entre ambos componentes durante el uso prolongado del prototipo y por consiguiente el cabeceo de la rueda conducida. Ilustración 79. Ensamblaje de la rueda libre compuesta V3 impresa en PETG y la rueda de 110mm Prototipo Mk1 98 Protección mecánica de la batería: Esta protección ya fue considerada en el primer diseño de la estructura. No habiendo sido diseñada e implementada en el proyecto hasta esta fase dado que lo que primaba era la accesibilidad a la batería, por ser un componente con riesgo de combustión ante cortocircuitos o sobretensiones. Mientras que, en esta fase, tras haber comprobado la estabilidad del sistema en el entorno y uso al que se destinará, resulta de utilidad para la protección de la batería ante impactos y deterioros como el observado. Ilustración 80. Perspectiva frontal, tapa protectora de la batería, prototipo Mk1 Detalles que destacar del diseño realizado: • Ranuras de 4mm x 10 mm para dotar de margen a la altura de la batería respecto del raíl de hierro. Logrando la máxima distancia en todos los puntos a pesar de la heterogeneidad del raíl (hecho a mano) y de la batería que no es totalmente prismática • Impresión realizada en PETG (Tereftalato de polietileno glicol), más flexible y resistente ante impactos que el PLA (Ácido poliáctico), además de tener mayor resistencia ante la corrosión, el sol, la lluvia y el frio. • Camisa interna con las dimensiones exactas para encajar la batería, deducidas tras varias iteraciones de la zona de ajuste, evitando que se desplace en su interior con las vibraciones. Ilustración 81. Perspectiva trasera, tapa protectora de la batería, prototipo Mk1 99 6.4 Ensayos y modificaciones, fase 2 Tras las modificaciones realizadas al prototipo Mk1, se procedió con una segunda fase de optimización del diseño, centrada en lograr la máxima autonomía y resiliencia que este prototipo pudiera brindar. 6.4.1 Ensayos de autonomía y resiliencia En esta segunda fase, se llevaron a cabo dos ensayos con un recorrido de 8 km, el primer ensayo se realizaría a una velocidad media aproximada de 15 km/h con un nivel de asistencia medio del SPE, mientras que en el segundo la asistencia sería casi total, y velocidad máxima. Durante el primer ensayo, todos los elementos del prototipo cumplieron su función adecuadamente y sin desgastes o deterioros apreciables, validando así las modificaciones de diseño aplicadas al sistema mecánico en el anterior apartado. Además, se comprobó que tal y como se analizó en el apartado Cálculo teórico de autonomía, la autonomía del sistema eléctrico, partiendo de un sistema mecánico suficientemente eficaz como para despreciar sus pérdidas, sería de entorno a 8km, para un nivel de asistencia medio y pendientes menores al 5%. La batería de polímero de litio llegó al final del recorrido sin haber alcanzado el fondo máximo de descarga (3,4 V/celda de media frente al mínimo permisible de 3,3 V), justificando el cumplimiento del objetivo de autonomía inicial. Debido al éxito de esta prueba, se procede a comprobar la autonomía del sistema en esta segunda fase de prototipado del modelo Mk1 en situaciones de máximas exigencias de par y velocidad. Para ello se realizó el mismo recorrido que en el anterior ensayo, pero esta vez manteniendo dentro de lo posible la velocidad máxima del sistema de 24,5 km/h, con asistencia humana prácticamente nula incluso en los arranques (momentos de máxima exigencia de par y consumo de corriente). El sistema tuvo una respuesta adecuada llegando a los 4 km del recorrido sin ningún problema, y cumpliendo las expectativas de par y velocidad. La celda con menor tensión en la batería, según el voltímetro, se encontraba 3,6 V, lo cual supone una capacidad restante de entorno al 30%. Al inicio del quinto kilómetro, termina el ensayo, uno de los condensadores encargados de amortiguar las irregularidades de tensión de la batería en la entrada de la ESC estalló. La razón fue un sobrecalentamiento excesivo de la controladora por falta de ventilación, como se explica más adelante. Por suerte este hecho no afectó a ningún otro elemento del prototipo, a pesar de que si se produjo una combustión causada por parte del plástico termo retráctil, que fue rápidamente extinguida evitando el contacto directo de la llama sobre la batería de celdas LiPo. 100 6.4.2 Mejoras y optimización del diseño Como se aprecia en la Ilustración 43, el diseño de la ESC RedBrick 125A, dispone de un radiador de aluminio que ocupa toda la superficie superior de la electrónica, unido térmicamente mediante pasta térmica a los transistores MOSFET, principal fuente de calor. Dicho radiador debe de ubicarse en un entorno en el cual el aire de alrededor pueda renovarse con facilidad, posibilitando la disipación de la energía térmica generada. A pesar de que en el diseño se planteó la ubicación de la ESC bajo la suela de la distintos orificios de la estructura permitirían un flujo de aire suficiente. Los ensayos realizados y la destrucción del variador a causa de temperatura excesiva desvelan que este diseño fue inadecuado. Para solucionar este defecto se proponen dos modificaciones al diseño del prototipo de la fase 1. ESC: Aprovechando la necesidad de adquirir una nueva electrónica de control para el motor, se plantea la adquisición de un modelo similar, en el que se aumente la corriente máxima soportada según fabricante. Ilustración 82. Red Brick 200A 2-7S Se decide emplear una ESC RedBrick 200A, pasando de 3 a 5 condensadores (principal limitante térmico) y aumentando número de transistores MOSFET por fase, sobredimensionando así la fase de conmutación, lo que reducirá el calor que genera en cada transistor y optimizará el flujo térmico hacia el exterior. 101 Ilustración 83. RedBrick 200A sin encapsulado, parte inferior Protección mecánica de la batería y el variador: La segunda medida a aplicar para reducir las posibilidades de sobrecalentamiento de la electrónica fue reubicar el variador a una zona del prototipo en la cual recibiese mayor flujo de aire, asegurando la correcta renovación de aire sobre el disipador Para ello se decide rediseñar la tapa protectora de la batería, de forma que la ESC quede acoplada sobre el lateral externo del prototipo lugar que a pesar de exponer ante impactos externos el disipador, asegura un correcto funcionamiento del mismo. Ilustración 84. Protección de la batería y la ESC, con abertura para disipador Se indican a continuación detalles de interés respecto al diseño: • Se mantiene la estructura base del diseño anterior, sin modificar las dimensiones de encaje de la batería en su interior, no obstante, el perímetro de la pieza aumenta de cara a hacer frente a su nuevo uso. • Respecto al diseño original, se sustituyen las ranuras de 4x8mm por orificios de 4 mm de diámetro ubicados en la posición adecuada para lograr la separación suficiente de la batería a los márgenes del marco de metal. 102 • Se diseña una camisa en base a las dimensiones del nuevo variador de 80x20x40 mm, con una apertura igual a la superficie del disipador 38x46 mm. Estas dimensiones junto con un grosor mínimo de 2 mm en toda la pieza definen el aumento en las dimensiones externas de la pieza. • Dado que la altura de la pieza se ha visto aumentada al dimensionarla en base a las necesidades del variador, resulta necesario incluir un recorte cilíndrico en la base, con el diámetro del motor N5065 (50 mm) de forma que se respete un margen en todo su perímetro de al menos 2 mm respecto del rotor. • Impresa en Tereftalato de polietileno glicol o PETG. 6.5 Ensayos y conclusiones del prototipado En este punto concluye el desarrollo del primer prototipo o Mk1, se analiza a continuación las especificaciones técnicas y características del mismo tras las últimas modificaciones realizadas, así como el cumplimiento o no de los objetivos propuestos al comienzo de su desarrollo. Tabla 9. Tabla comparativa entre prototipos del proyecto, Prototipo Mk1 Peso Total (g) Peso SPE (g) Potencia (W) Capacidad Batería (mah) Relación de Transmisión Mk1 F1 5404 5154 714 8000 (4S) 4 Mk1 F2 5310 5060 5 • Peso: se han alcanzado ambos objetivos o limitaciones de peso. El SPE aumenta cada patín en un peso de 1366,5 kg para la primera fase y 1319,5 kg en la segunda. Ambas fases por debajo de los 1,5 kg extra por patín o 6kg totales del sistema. • Potencia: Para una batería de ion-litio 4S, de 14,8 V de tensión nominal, y una corriente máxima limitada a 60 A, se obtiene una potencia de 714W inferior a los 1000 W máximos definidos. Pendiente Cálc. Auton. Velocidad Cálc. Auton. (km/h) Autonomía teórica (km) Autonomía Experimental (km) Velocidad máx. (km/h) Pendiente máx teórica 16 km/h < 60 A 2% 16 9,7 -- 20 16% 2% 16 9,9 > 8 24,5 16% 103 • Velocidad: En la primera fase del prototipo se alcanzó el hito de velocidad máxima propuesta, la segunda fase pretendió llegar a los 25 km/h de velocidad máxima permitida por ley, disponiendo así de mayor margen de regulación, se alcanzó finalmente una velocidad máxima de 24,5 km/h. • Autonomía: en este primer prototipo, se propuso alcanzar una autonomía de 8 km. El resultado experimental de los ensayos realizados nos muestra que se superaron con creces los 8 km del trayecto. Además, en base a las simulaciones de autonomía realizadas (Anexos 0 y 0) para una velocidad media de 16 km/h, una pendiente media del 2% basada en un trayecto estándar en Valladolid, y un usuario de 85 kg, se obtienen autonomías de 9,7 km en la primera fase y 9,9 km en la segunda fase del prototipo. • Par: Se pretendía desplazar a una persona de 70kg con facilidad en pendientes de hasta el 15%. Como se puede apreciar en las simulaciones realizadas mediante la hoja de cálculos de Benjamin Vedder (Anexos 0), la primera fase del prototipo vence pendientes del 16% sin superar la corriente límite de 60 A para un peso total de 90 kg, es decir, desplazando a un usuario de más de 84 kg. • En cuanto al Sistema de Desacople entre SPE y VPH, como se ha expuesto a lo largo de los ensayos de este primer prototipo, el sistema propuesto cumple con las expectativas, dotando al prototipo de la posibilidad de desplazarse sin arrastrar el SPE en caso de que se agote la batería. En función de la consigna de aceleración que se asigne mediante el sistema de control, y la aceleración que se aporte mediante la patinada natural, el usuario dispondrá de distintos grados de asistencia. • Precio: Se estableció un límite de costes de 250 euros para el primer prototipo del SPE y entrono a 150 euros para la compra del patín base. El patín escogido terminó costando 154,99 euros, superando en solo 5 euros el presupuesto estimado, por otro lado, el coste material total del SPE, sumando las dos fases de prototipado, ha sido de 205, 31 euros, casi 45 euros por debajo del coste estimado de material. Lo cual deja un balance total de 40 euros de margen respecto a los costes totales previstos para esta fase de prototipado. Todos los costes se desglosan en el balance económico del proyecto. En conclusión, los objetivos y parámetros funcionales esperados del sistema se han cumplido tras la ejecución del primer prototipo. 104 105 Capítulo 7: Prototipo, Mk2 Tras el cumplimiento de los objetivos propuestos con el desarrollo del primer prototipo, en esta segunda parte del proyecto, se pretende continuar con la optimización del sistema mediante el desarrollo de un segundo prototipo, a fin de continuar mejorando el comportamiento del sistema, y sus características principales. • Se perseguirá aumentar la autonomía superando los 10 km iniciales. • Se realizará una optimización sobre el peso de los patines, mediante una reducción global de la masa del sistema, y una reubicación de la misma a fin de minimizar inercias y mejorar la movilidad y ergonomía. • Se buscará mejorar la repetibilidad del proceso de fabricación, con metodologías como el corte por láser y plegado industrial. • Aumentar la resiliencia global del SPE, focalizándose en aumentar la robustez y precisión del diseño de la transmisión. • Se mejorará el sistema de control y la electrónica, abriendo nuevas vías hacia sistemas de control que pudiesen dotar a los patines de una asistencia casi imperceptible, y persiguiendo mayores eficiencias del sistema, que mejoren la autonomía y la vida de los componentes. • Aumentar el rango de velocidades del sistema, optimizando el punto de trabajo entorno a la velocidad máxima permitida (25 km/h), limitando la velocidad a la legal en vías públicas. No obstante, permitiendo superar los 25 km/h si se desea realizar un uso ocioso de los patines en entornos específicos. • Se mejorará la estabilidad del sistema aumentando la superficie de contacto, modificando la distancia entre ejes, y reduciendo la altura. • Dado que se va a aumentar la potencia y velocidades máximas del sistema, resultará necesario realizar un proceso de ingeniería para la creación de un sistema de frenada activa. Dado que la intención es aumentar el nivel de optimización del diseño, el desarrollo de los puntos de trabajo definidos se plantea mediante modificaciones aisladas consecutivas. De esta forma será más sencillo contrastar en qué medida su aplicación al sistema ha beneficiado al comportamiento global del mismo. No obstante, de forma análoga al primer prototipo, su desarrollo se dividirá en dos fases. La primera perseguirá la optimización del sistema mecánico, mientras que la segunda buscará la optimización del sistema eléctrico y de control. 112 No obstante, como se aprecia en la ilustración anterior, es difícil encontrar a simple vista zonas con un valor cromático como el que le corresponde al CS de 3,6 (Amarillo). Prácticamente toda la estructura se encuentra en valores de CS de 15 o superior. Las zonas en las que se aprecia el mínimo CS visible (verdes y cian, CS de 9 a 6) son mínimas en la mayoría de la estructura, siendo más representativas en la zona del anclaje frontal. Incluso si se presentasen en esta zona valores de CS inferiores a 6, debido al sistema de anclaje empleado, la superficie actuará en bloque junto con la zona de anclaje de la bota, homogeneizando los esfuerzos y limitando la deformación. Ilustración 93. FEA, estructura Mk2, Análisis de deformación El valor máximo de deformación se encuentra en la zona del ala central, presentando un valor máximo de tan solo 0’06357 mm, es decir, 63’6 µm. Con todo lo anterior, se da por validado el diseño para la fabricación de una estructura o raíl empleando planchas de 4 mm de Aluminio 6061, llegando a soportar, según el análisis estático, hasta tres veces el peso considerado de 85 kg sin presentar ninguna deformación. 113 7.1.2 Fabricación de la estructura Continuando con la principal intención detrás del prototipo Mk2, se escogió un proceso de fabricación para el raíl que ofreciese la precisión y acabados acordes a las exigencias de esta nueva fase del proyecto. Corte por láser y plegado Para ello, se confía en una empresa local especializada esta metodología, la cual, entre otros muchos materiales, ofrece la opción de realizar la pieza en Aluminio de la serie 5000 (5754 H111), es decir, una aleación de la familia del magnesio-aluminio forjado, con una concentración de magnesio de entorno al 3,5%. El proceso de corte por láser es un sistema de mecanizado industrial en el que un potente haz de luz (100W aproximadamente para 3mm de Aluminio) se concentra a través de un tubo de CO2 incidiendo sobre una pequeña zona superficial del material a trabajar elevando su temperatura hasta vaporizarlo o fundirlo. El láser se monta sobre un cabezal que, dirigido mediante control numérico, recorre la superficie perforando y cortando la plancha metálica siguiendo la trayectoria deseada con precisiones de hasta ±0,1 mm. Ilustración 94. Detalle del plano de corte y líneas de plegado, raíl prototipo Mk2 Para que pudieran proceder con la realización de este trabajo, fue necesario hacerles entrega previamente de los planos y documentación requerida para el conformado de la estructura mediante corte por láser y posterior plegado. Se adjuntan los planos preparados para este fin en el Anexo Planos. 114 El proceso de fabricación del marco o raíl, presentó varias complicaciones. Llegado el momento del plegado de la pieza, se concluye que con la matriz de plegado de la que disponían iba a resultar complicado plegar la pieza debido a que las “alas” eran demasiado largas. No obstante, tras hablar con el técnico encargado de este proceso, y a fin de evitar una modificación sustancial del diseño, se propuso aumentar el radio de las aristas de plegado (de 1 a 3 mm), lo que premitiría realizar el plegado en varias etapas evitando la limitación provocada por las dimesniones del ala. Tras recibir la pieza, se detecta un error cometido durante la fase de corte, se muestra el detalle del mismo en la siguiente imagen. Ilustración 95. Detalle del plano generado para la corrección de las piezas En concreto, el error se debió a una reducción excesiva del material sobrante en la arista izquierda del anclaje frontal. Para obtener una pieza a través de este proceso de fabricación, con los anclajes a dos alturas (12 mm de separación entre ellos, sistema FSK), era necesario eliminar 24 mm de material por la longitud de la arista. La reducción de material fue de en torno a 27 mm, obteniendo una pletina de 48 mm, en lugar de los 50 esperados (45 + 3 + 2 mm), que permitían ubicar tras plegado la placa de anclaje montada 1 mm sobre el perfil izquierdo. Los 2 mm restantes serían espacio suficiente para realizar el cordón de la soldadura de unión. Una segunda iteración resultó en la obtención de cuatro perfiles (2x3mm y 2x4mm) suficiente validez dimensional para continuar con el proceso. 115 Soldadura y unión Tras ensamblar todos los componentes, y comprobar el correcto diseño de la estructura, y antes de poner a prueba su consistencia estructural, se procedió a la unión de la arista izquierda de la placa de anclaje frontal. Se realizaron varios intentos de soldadura sobre los perfiles de 3 mm con la ayuda de manos experimentadas, caldeando la pieza y empleando electrodos de baja temperatura para aluminio, resultando todas ellas en cordones inconsistentes o deformaciones en el perfil de aluminio. Ilustración 96. Intentos de soldadura sobre raíl de 3 mm, prototipo Mk2 La razón, se descubrió al realizar un análisis más profundo sobre el tipo de aluminio empleado para la obtención de la pieza. La aleación Al-Mg3 5754 H111 fue empleada por ser la que disponía la empresa de corte por láser, y tras comprobar que los parámetros mecánicos eran muy similares al aluminio 6061 con el cual se realizó el análisis FEM. • Módulo de elasticidad o de Young: 7x104 MPa > 6,89 x104 MPa • Coeficiente de Poisson: 0,33 • Límite elástico: 80 MPa > 55MPa No obstante, la diferencia principal entre los aluminios de la serie 6000 frente a los de la 5000, es precisamente que se trata de aluminios tratables térmicamente, y por tanto ofrecen la posibilidad de realizar uniones mediante soldadura o procesos térmicos. 116 A partir de este momento, se plantean tres opciones: • Realizar un diseño en el cual el corte de la arista descrita no fuese necesario (sistema de anclaje UFS) • Emplear métodos de soldadura en frio específicos para aluminio • Realizar un anclaje mediante perforaciones roscadas, tornillos y un perfil de aluminio. La primera opción se desestimó, dado que aún se disponía de los perfiles de 4 mm para completar esta fase de prototipado, no obstante, se tendría en cuenta este aspecto de cara a futuros rediseños y prototipos. La soldadura en frío es una metodología que, a pesar de su sencillez, la homogeneidad del resultado y su consistencia dependían demasiado de las condiciones del proceso y el producto escogido. Con lo cual finalmente se optó por realizar cuatro perforaciones en cada raíl, dos en la placa de anclaje, dos en el perfil izquierdo, y las cuatro perforaciones correspondientes sobre el perfil de aluminio de 10x10X45 mm, mediante una broca de 2,5 mm. Posteriormente, se roscaron los 16 orificios empleando un machón de 3 mm. Ilustración 97. Unión de la estructura Mk2 mediante perfil de aluminio 10x10 mm Finalmente, tras el ensamblaje se procedió con el acabado superficial del conjunto empleando sierra de metal y lima. 117 7.1.3 Rediseño del sistema de tracción Rueda de 145 mm Para aumentar la estabilidad del sistema, una de las soluciones propuestas ha sido modificar la posición de los ejes motrices respecto al punto de anclaje de la bota, así como aumentar la distancia entre ejes, ofreciendo un patín más similar a los patines SUV, que a costa de reducir maniobrabilidad aumenta considerablemente la estabilidad. Junto a la anterior modificación del diseño del raíl, se propuso sustituir las ruedas de 110 mm por unas ruedas poco comunes en el mundo del “rollerblading”, con un diámetro de 145 mm. Ilustración 98. Comparativa de tamaño, ruedas de 145mm sobre el prototipo Mk1 Fase 2 Con este cambio, además de aumentar la adherencia y estabilidad del patín, se espera lograr una mejora en su comportamiento ante velocidades altas y reducir el efecto de las irregularidades del terreno. Otro factor tenido en cuenta a la hora de a aumentar el diámetro de las ruedas fue permitir un aumento en el diámetro máximo de la rueda conducida, de cara a aumentar la robustez de la transmisión modificando la correa a una de mayor paso (de HTD 3M a HTD 5M) y, por consiguiente, para una misma relación de transmisión, aumentando el diámetro de ambas ruedas (motriz y conducida). Esta modificación facilitó considerablemente la obtención de un sistema de frenada activa compatible con el prototipo. 118 Araña de acople Una de las soluciones mecánicas más interesantes de este segundo prototipo es la araña de acople, y sus dos variantes empleadas para el nuevo sistema de frenada y el nuevo diseño del componente rueda libre – rueda conducida. El concepto surge como solución al cabeceo aún del sistema de acople entre la rueda libre conducida y la rueda trasera del patín, y aprovecha la oportunidad brindada tras la sustitución de las ruedas. Ilustración 99. Rueda de 145 mm, rodamientos ABEC 7, Prototipo Mk2 El diseño de la nueva rueda de 145 mm tiene una peculiaridad que resultó fundamental para el diseño de este sistema. Dispone de una superficie paralela al plano de rotación de la rueda y distribuida de forma regular entorno al eje de esta. A fin de agilizar el proceso parametrización y dimensionamiento de los radios de la rueda en un diseño CAD 3D como origen para el diseño de la araña, se emplea una tecnología con creciente uso en el ámbito del diseño industrial, la fotogrametría. Mediante este procedimiento se obtuvo un primer diseño de la rueda que tras ser refinado en Fusion360 definió las superficies de anclaje de la pieza, que una vez validadas mediante calibre sirvieron como base para el diseño de la araña. 119 Ilustración 100. Rueda de 145 mm ”mesh” o malla resultante, fotogrametría Ilustración 101.Rueda de 145 mm, diseño final por modelado de malla fotogramétrica Prototipo Mk2 120 Finalmente, se confecciona el resto del diseño, que servirá de base para el diseño y fabricación de los acoples del sistema de frenada y la rueda libre sobre cada rueda trasera del prototipo. Ilustración 102. Diseño base, araña de anclaje, Prototipo Mk2 Características destacables del diseño: • Refuerzo mediante nervios de 5 mm de grosor • Anillo de 34x5x3 mm como unión entre las patas de la estructura, evitando el buje de la rueda. • Obtención de superficie de apoyo totalmente coplanar obtenida a partir de un procedimiento de diseño – impresión – corrección - validación. 121 Primer sistema de frenada activa La mayoría de los Vehículos de Movilidad Personal, disponen de un sistema de frenada activa o de seguridad, capaz de detener al vehículo de manera independiente al estado de la electrónica o la batería. Cap. 2 Apdo. 2.2.2 A continuación, se realiza una breve descripción de los cinco principales tipos de sistemas de frenada existentes y aplicables a este tipo de vehículos. • De maza Se trata de sistemas que aplican la fuerza de frenada directamente sobre la maza o buje de la rueda, existen principalmente dos tipos. o De tambor: Su funcionamiento consiste en un par de zapatas contenidas en un cilindro o tambor sobre el que las zapatas aplican la fuerza de frenado. La eficacia de la frenada no se ve afectada por las inclemencias del entorno, ni por la suciedad, lo cual conlleva un mantenimiento muy reducido y una frenada muy segura. El encapsulado del sistema y la limitada superficie de frenada provocan una disipación menor del calor generado que otros sistemas. Además, es uno de los sistemas más pesados. Al aplicar el par de frenada sobre un brazo torsor menor que en frenos de aro o llanta, el par a aplicar es mayor, afectando a la sensibilidad de la frenada. o De disco: La fuerza de frenada se aplica sobre el buje mediante un disco comúnmente de aluminio (también puede ser cerámico), sobre el cual actúan dos pastillas de freno (una por cada lado del disco) que se anclan a la estructura mediante una pinza de freno. La superficie de frenada no tiene un encapsulado como en el anterior caso, lo cual la expone ante la suciedad y humedad del entorno. Por otro lado, este sistema tiene una frenada más eficaz en general que el de tambor, por disponer de mayor superficie de frenada y de mejor disipación del calor generado (el disco se perfora aumentando la superficie de disipación y reduciendo peso). Se trata de uno de los sistemas más compactos y ligeros. Al igual que en el freno de tambor, la aplicación del par de frenada sobre un brazo torsor menor que en frenos de aro o llanta, provoca un par a aplicar mayor, generando frenadas más bruscas o descontroladas. Dicho brazo es comúnmente mayor en frenos de disco que en frenos de tambor. 128 Bajo las condiciones presentadas se realiza el diseño de la rueda motriz, dado que el aumento del tamaño de diente y la superficie de contacto reduce las exigencias estructurales de la pieza, permitiendo su fabrición mediante impresión 3D en PETG. Ilustración 111. Rueda motriz HTD 5M 12T Prototipo Mk2 Características destacables del diseño: 1. Orificios de 2,5 mm para roscar 4 tornillos prisioneros. 2. Brida de alineación de la correa a 45 %. 3. Orificio de 8 mm para el eje con doble chaflan. Respecto al diseño del componente rueda libre – rueda conducida, el diseño se optimiza considerablemente hacia una fabricación más sencilla y escalable. Para lo cual se realizó un proceso conjunto de diseño y búsqueda a fin de encontrar un componente comercial que sin ser modificado cumpliese con las condiciones de diseño ofreciendo un correcto punto de anclaje a la rueda conducida y al sistema de acople a la rueda trasera. Ilustración 112. Rueda libre comercial, Prototipo Mk2 129 Esta rueda libre tiene especial interés, dado que el estriado en uno de los perfiles internos del anillo interior permite un anclaje firme a la rueda trasera sin depender de la rosca interna, sistema que hasta ahora había acabado por desgastar las piezas impresas en 3D tanto de PLA como de PETG. A partir de este concepto se confecciona el sistema de acople entre la rueda libre - conducida y la rueda trasera del prototipo Mk2, para el cual se emplea el diseño ya optimizado de araña de acople adaptándolo para el sistema de rueda libre - conducida. Ilustración 113. Sistema de acople de rueda libre - rueda conducida a la rueda trasera Prototipo Mk2 Características destacables del diseño: 4. Superficie de contacto para la rueda libre - conducida 5. Anillo ajustado al diámetro interior de la rueda libre 6. Sistema de giro solidario, desarrollado a partir del estriado original de la rueda libre comercial 7. Estriado de enlace entre los dos elementos del sistema. Finalmente se realiza el diseño de la rueda libre conducida, que aprovecha el disco externo de la rueda libre obteniendo un montaje robusto y solidario. Como se ha definido, la rueda conducida será una HTD 5M 60T 3 1 2 4 130 El componente consta de cuatro partes, araña de acople, pieza de bloqueo o fijación, rueda conducida dentada HTD 5M 60T y nueva rueda libre comercial. Ilustración 114. Rueda conducida, Prototipo Mk2 Características destacables del diseño: 1. Brida recta de alineación de la correa 2. Bolsillos para tuercas autoblocantes de métrica 6 3. Orificios para tornillos de métrica 6 con avellanado 4. Bolsillo para la rueda libre, ajustado para cumplir con los márgenes de ensamblaje del componente. Ilustración 115. Animación 3D de explosión, Componente rueda libre - rueda conducida y sistema de acople, Prototipo Mk2 1 2 3 4 131 Por último, diseña un sistema de anclaje excéntrico para el motor N5065. El anclaje excéntrico diseñado no solo logra un acople robusto y sin holguras entre motor y raíl, sino que actúa como sistema de regulación para la tensión de la correa, que permitirá una variabilidad en la distancia entre ejes de la transmisión de ±2 mm sobre los 152,5 totales. Ilustración 116. Anclaje excéntrico del motor BLDC N5065 Características destacables del diseño: 1. 7 bolsillos para tuercas acabados en orificio pasante para tornillo de métrica 4 a fin de modificar la posición angular del anclaje en 8 saltos de 45º, lo que supone una variabilidad del 12,5 % del rango de tensión en cada salto (0,5 mm de desplazamiento lineal entre ejes). 2. 4 perforaciones para los tornillos de métrica 3 del anclaje al estator del motor y una perforación central que alberga la base de la rueda motriz optimizando el espacio. 3. 4 recortes rectangulares con margen suficiente para pasar los cables del motor N5065, con vistas una posible implementación de sensores de efecto hall. 1 2 3 132 Se muestra a continuación una imagen del montaje correspondiente al patín izquierdo del prototipo Mk2, en el que se encuentra el SPE. Ilustración 117. Ensamblaje final del patín izquierdo, prototipo Mk2 Finalmente, se realiza a modo de resumen de la fase de diseño del sistema mecánico de este prototipo Mk2 un renderizado del ensamblaje completo. Ilustración 118. Renderizado global del prototipo Mk2 133 7.2 Fase 2, Nuevos sistemas de control y almacenamiento 7.2.1 Controladora VESC VESC o Vedder Electronic Speed Controller, es un estándar de fabricación y programación para electrónica de control de velocidad de motores brushless, principalmente destinado a su uso en vehículos de movilidad eléctrica. Benjamin Vedder, creo el primer sistema VESC en 2015, momento a partir del cual toda la información relativa a diseño, fabricación y programación de este sistema ha sido compartida como open-source, razón por la cual actualmente es el sistema de control más empleado en SPE pata este y otros usos. Las diferencias principales entre una controladora VESC y una ESC común son: • Conectividad Bluetooth, para emisoras, dispositivos HMI (Human Machine Interface) y conexión con la utilidad VESC tool en smartphones (configuración y análisis de medidas en tiempo real durante el trayecto) • Precisa medición en tiempo real de corriente y tensión en todas las fases del motor (3x conectores de fase) • Sistemas de frenada regenerativa. • Operación de motores con o sin sensores e incluso con opción a configuraciones híbridas. (Encoder, efecto Hall, HFI o VSS) • El estándar VESC emplea comúnmente el método de control vectorial FOC, no obstante, permite emplear un control escalar trapezoidal o senoidal. • Límites de funcionamiento configurables para temperatura, RPM, corriente, tensión y potencia. • Detección automática de parámetros del motor () • Diversas modalidades de input o señal de control: PPM, Analogica, NRF Nyko Kama Nunchuck • Puertos de comunicación: USB, CAN, UART • Rampas de aceleración configurables en exponencialidad y retardo para todos los inputs. • Incomparable metodología de operación sobre cuatro cuadrantes • Contador de revoluciones y consumos (Wh y Ah) del motor • Posibilidad de análisis de datos en tiempo real por medio de los puertos de comunicación descritos 134 • Sistemas de protección ajustables sobre: o Sobretensiones y subtensiones o Consumo excesivo de corriente del motor (bloqueo del rotor) o Corrientes excesivas en la alimentación o Corriente de recuperación por frenada regenerativa excesiva (límites independientes de protección para batería y motor, entrada y salida) o Exceso de RPM (límites independientes en avance y reverso). o Sobrecalentamiento de los MOSFET o el motor (en caso de que disponga de sensor de temperatura) La controladora VESC comercial escogida de VESC es la FSESC 75100 Pro de FlipSky. Especificaciones: permite mantener una corriente nominal máxima de 100 A y pico de 120 A y trabajar en un rango de tensiones de 4 a 20 S (14- 84V). Soporta sensores de posición tipo ABI, HALL, AS5047 y AS5048A. Ilustración 119. Dimensiones VESC FlipSky FSESC75100 Pro [29] Ilustración 120. PCB de aluminio FlipSky FSESC75100 Pro [29] 135 A continuación, se muestra un esquema de las conexiones disponibles para el hardware elegido, de las cuales inicialmente solo se emplearán: batería, motor, puerto 3 (receptor PPM), puerto 5 (conexión USB, configuración y experimentación mediante la herramienta VESC tool). Ilustración 121. Conexiones VESC FlipSky FSESC75100 Pro [29] 7.2.2 Batería de ion Litio Una vez optimizado el funcionamiento mecánico del sistema, el factor más determinante de la velocidad y autonomía de un vehículo eléctrico es su sistema de almacenamiento. La tensión a la que es capaz de suministrar la energía consumida en el motor define la velocidad máxima del prototipo (KV = rpm/V) además de la potencia máxima desarrollada para un mismo motor. Mientras que capacidad es el principal factor en el cálculo de la autonomía del prototipo, además de definir junto con capacidad de descarga de las celdas la corriente máxima que es capaz de soportar en ciclos de carga y descarga. 136 La mejora del sistema de almacenamiento empleado hasta el momento supondrá un cambio muy sustancial en el comportamiento del prototipo Mk2. Además, el diseño de una batería de celdas de ion litio, es un procedimiento sobre el cual se dispone de una gran cantidad de información en foros como Reddit o esk8. Y en concreto existe mucha información respecto al diseño y fabricación de este componente para el desarrollo de E-Skates, Onewheels o patinetes eléctricos, fácilmente extrapolable a nuestro proyecto. Parámetros de diseño iniciales Existen tres parámetros eléctricos fundamentales a la hora de escoger las celdas que conforman una batería: • Tensión nominal y celdas en serie: las celdas de Li-ion tienen una tensión nominal de 3,6 V. Una forma de aumentar el rango de velocidad del prototipo acercando el punto de eficiencia del sistema actual a la velocidad máxima legal (25 km/h) sin reducir su par es aumentar la tensión nominal. Partiendo de una tensión nominal deseada de en torno a 20 V, se define una configuración con 6 celdas en serie, y una tensión nominal de 22,2 V • Capacidad y celdas en paralelo: un aumento en la autonomía siempre es beneficioso para un vehículo eléctrico. No obstante, aumentar la capacidad de la batería trae consigo un aumento del coste y peso de la batería. Con lo cual se establece una meta de entre 10.000 y 15.000 mAh a fin de alcanzar autonomías cercanas a los 20 km. • Corrientes de carga y descarga: el número de celdas en paralelo también condiciona a las corrientes máximas de carga y descarga, con lo cual este parámetro también será tenido en cuenta de cara al dimensionado de celdas en paralelo en el análisis de las distintas opciones comerciales. Se tratará de encontrar una solución comercial capaz de hacer frente a los 60 A máximos de corriente nominal que es capaz de soportar el motor. Hay que tener en cuenta que seguimos en fase de prototipado, con lo cual es deseable sobredimensionar el sistema en términos de capacidad y corrientes de descarga, a fin de que pueda ser empleado en futuras versiones o prototipos. 137 Análisis de celdas comerciales y dimensionamiento de la batería Primero se plantea un análisis técnico con las características comerciales, desarrollando una configuración que cumpla los requisitos. Tras lo cual, se realiza un análisis comparativo de las especificaciones técnicas de cada una de las celdas comerciales disponibles, tanto en celdas 18650 como celdas 21700, generando parámetros de contraste como la relación precio – capacidad (€/Ah), o capacidad – peso (mAh/g) y obteniendo un parámetro definido como “Mejor compra” que del 1 al 10 valoraba las opciones propuestas. Así, las opciones más destacables fueron las celdas INR21700-40T de Samsung y INR21700-P42A de Molicell, ambas celdas restauradas (recuperadas de lotes de soldaduras fallidas, con un estado idéntico a las especificaciones de fábrica comprobado mediante ensayos) de las cuales se escogió la segunda opción, dado que su parámetro mAh/g era significativamente mayor. Marca Modelo Condición Tecnología Diámetro (mm) Altura (mm) V Celda V total mAh Celda mAh total A desc. celda A desc. Total Peso celda (g) Peso total (g) mAh/g Precio celda Precio total Precio envío Precio final mAh total €/Ah Mejor compra ZopPower -- 4 S 2 P LiPo -- -- 3,7 14,8 4000 8000 40 80 102 820 39,22 -- 38,69 -- 38,69 8000 4,84 € 8,11 Sony US18650VTC5 6 4 18 65 3,6 21,6 2600 10400 30 120 46 1104 56,52 4,76 € 114,24 € 0,00 € 114,24 € 10400 10,98 € 5,15 Sony US18650VTC5 6 4 18 65 3,6 21,6 2600 10400 30 120 46 1104 56,52 4,45 € 106,80 € 10,71 € 117,51 € 10400 11,30 € 5,00 Sony US18650VTC4 6 4 18 65 3,6 21,6 2100 8400 30 120 46 1104 45,65 3,45 € 82,80 € 10,71 € 93,51 € 8400 11,13 € 4,10 Sony US18650VTC6 6 4 18 65 3,6 21,6 3120 12480 30 120 48 1152 65,00 6,95 € 166,80 € 10,71 € 177,51 € 12480 14,22 € 4,57 Sony US18650VTC6 Restaurada 6 4 18 65 3,6 21,6 3120 12480 30 120 48 1152 65,00 3,89 € 93,36 € 10,71 € 104,07 € 12480 8,34 € 7,79 Sony US18650VTC5D 6 4 18 65 3,6 21,6 2800 11200 35 140 47 1128 59,57 5,65 € 135,60 € 10,71 € 146,31 € 11200 13,06 € 4,56 Sony US18650VTC5A 6 4 18 65 3,6 21,6 2600 10400 35 140 48 1152 54,17 4,25 € 102,00 € 10,71 € 112,71 € 10400 10,84 € 5,00 Molicel INR18650-P26A 6 4 18 65 3,6 21,6 2600 10400 35 140 45 1080 57,78 4,45 € 106,80 € 10,71 € 117,51 € 10400 11,30 € 5,11 Sanyo UR18650RX 6 4 18 65 3,6 21,6 1950 7800 30 120 46 1104 42,39 2,99 € 71,76 € 10,71 € 82,47 € 7800 10,57 € 4,01 Samsung INR18650-20R Restaurada 6 4 18 65 3,6 21,6 2000 8000 22 88 43 1032 46,51 1,85 € 44,40 € 10,71 € 55,11 € 8000 6,89 € 6,75 Samsung INR21700-40T Sin existencias 6 3 21 70 3,6 21,6 4000 12000 35 105 67 1206 59,70 3,75 € 67,50 € 10,71 € 78,21 € 12000 6,52 € 9,16 Samsung INR21700-30T 6 3 21 70 3,6 21,6 3000 9000 35 105 69 1242 43,48 2,99 € 53,82 € 10,71 € 64,53 € 9000 7,17 € 6,06 Samsung INR21700-30T Restaurada 6 4 21 70 3,6 21,6 3000 12000 35 140 68 1632 44,12 2,45 € 58,80 € 10,71 € 69,51 € 12000 5,79 € 7,62 Samsung INR21700-40T Restaurada 6 3 21 70 3,6 21,6 4000 12000 35 105 67 1206 59,70 3,75 € 67,50 € 10,71 € 78,21 € 12000 6,52 € 9,16 Samsung INR21700-50T Sin existencias 6 3 21 70 3,6 21,6 5000 15000 35 105 72 1296 69,44 6,45 € 116,10 € 10,71 € 126,81 € 15000 8,45 € 8,21 Molicel INR21700-P42A 6 3 21 70 3,6 21,6 4200 12600 45 135 67 1206 62,69 4,95 € 89,10 € 10,71 € 99,81 € 12600 7,92 € 7,91 Molicel INR21700-P42A Restaurada 6 3 21 70 3,6 21,6 4200 12600 45 135 67 1206 62,69 4,25 € 76,50 € 10,71 € 87,21 € 12600 6,92 € 9,06 Tenpower INR21700-40TG 6 3 21 70 3,6 21,6 4000 12000 45 135 67 1206 59,70 3,95 € 71,10 € 10,71 € 81,81 € 12000 6,82 € 8,76 Sanyo NCR2070C 6 3 21 70 3,6 21,6 3620 10860 30 90 60 1080 60,33 3,55 € 63,90 € 10,71 € 74,61 € 10860 6,87 € 8,78 Bateria Prototipado Opciones Comerciales Configuración Li-ion P S Tabla 11. Análisis técnico económico de las opciones comerciales de celdas de ion litio 144 145 Capítulo 8: Conclusión 8.1 Cumplimiento de parámetros funcionales Una vez finalizada la segunda fase de prototipado, se da por finalizado el desarrollo del proyecto VIENTO’s dentro del marco de este Trabajo de Fin de Grado, dando paso al análisis del cumplimiento de los parámetros funcionales esperados para esta etapa del proyecto. Para ello se actualizará la Tabla 9 con los datos del prototipo Mk2 y de las dos opciones comerciales existentes en este momento (desconocidas al comienzo de esta segunda fase de prototipado). Tabla 12. Comparativa de costes y parámetros entre prototipos y versiones comerciales existentes 06/07/2023 Precio completo (€) Precio SPE (€) Peso Total (g) Peso En los pies (g) Potencia (W) Capacidad Batería (mah) Tamaño de Rueda (mm) Relación de Transmisión Mk1 F1 351,03 196,04 5404 5154 714 8000 (4S) 110 5 (HTD 3M) Mk1 F2 327,88 209,82 5310 5060 110 4 (HTD 3M) Mk2 F1 356,51 233,40 5231 4185 8000 (4S) 145 5 (HTD 5M) Mk2 F2 586,47 431,48 5878 4185 1069 12600 (6S) 145 Escend 869,00 799,00 ? 7500 2x400 2x5200 (6S) 105 Directa Atmos Gear -- 750,00 5056 3906 ? ? 110 Directa -- No hay opción de sistema completo • Precio: Los precios mostrados en la comparativa corresponden únicamente al coste de los materiales inherentes a cada prototipo y fase, sin tener en cuenta las horas de ingeniería, la amortización de las herramientas empleadas ni los márgenes de beneficio empresarial. De forma que esta comparativa entre los precios de las versiones comerciales existentes de patines eléctricos en línea con los prototipos desarrollados es únicamente orientativa. No obstante, resulta interesante apreciar, que siendo el prototipo Mk2 un sistema desarrollado con los medios de un estudiante de ingeniería, haya sipo posible obtener unos parámetros funcionales considerablemente superiores (Tabla 13) con un coste de materiales de entorno al 54% del precio comercial, en el caso de los patines Escend. • Peso: en el desarrollo de los patines eléctricos Mk2 se ha reducido sustancialmente la masa ubicada en los pies, mejorando la maniobrabilidad y ergonomía del sistema. El peso añadido del SPE es de tan solo 1 kg sobre los 3,2 kg de los patines Fila Houdini Pro, es decir, 500g por pie. 146 Esto ha sido posible gracias a la reubicación la batería sobre la cadera del usuario, dado que incluso tras el considerable aumento su densidad energética (ver Tabla 11), continúa siendo el componente más pesado de los patines con un 21% de la masa total. • Potencia: Para una batería de ion-litio 6S, de 22,2 V de tensión nominal, y en condiciones de máxima exigencia del motor N5065 se obtiene una potencia máxima nominal de 1069 W (ver Apartado 1.2.4 del Anexo 1) • Se ha logrado eliminar todo tipo de holguras y excentricidades, en concreto en el sistema de desacople VPH – SPE y en general en toda la transmisión, gracias al desarrollo de la araña de anclaje, y el uso de la brida de alineación a 45 % en la rueda motriz. Se han eliminado por completo las limitaciones de par presentadas por el sistema mecánico, mejorando la regulación de la tensión de la correa y empleando un sistema de transmisión con mayor superficie de contacto y altura de dientes. Se considera por tanto que el margen de optimización de la transmisión es muy reducido, lo que lleva a plantear una solución distinta en caso de querer continuar con la optimización mecánica del patín. Tabla 13. Comparativa de características funcionales entre prototipos y y versiones comerciales existentes 06/07/2023 Pendiente Cálc. Auton. Velocidad Cálc. Auton. (km/h) Autonomía teórica (km) Autonomía Experimental (km) Velocidad máx. (km/h) Pendiente máx teórica 16 km/h < 60 A Mk1 F1 2% 16 9,7 -- 20 16% Mk1 F2 2% 16 9,9 > 8 24,5 16% Mk2 F1 2% 15,5 10 > 12 25,9 18% Mk2 F2 2% 15,5 22,1 ¿ 38,8 27% Escend ? ? 15 -- 25 20% Atmos Gear ? ? 20 -- 25 20% ? No se ha encontrado información al respecto ¿ No se ha podido ensayar aún • Velocidad: tras superar con éxito los hitos de velocidad propuestos en las anteriores fases de prototipado, esta etapa final trataba de aumentar el margen de regulación de velocidad, y por tanto la velocidad máxima teórica hasta los 38,8 km/h. Con ello se consigue una mejora en la respuesta del vehículo a las velocidades más comunes dado su uso como modo de transporte urbano, es decir entre 20 y 25 km/h. 147 Por otro lado, aumentando la tensión de la batería se abre la posibilidad de emplear motores con menores constantes de velocidad, y por consiguiente mejores relaciones de par/corriente, reduciendo los consumos, optimizando el sistema y posibilitando el desarrollo de una solución de motor en buje. • Autonomía: La propuesta para la autonomía en base a los parámetros funcionales objetivo para el prototipo final era superar los 10 km, autonomía que se logra superar con un margen de casi 2 km tras la optimización mecánica del prototipo Mk2 según el ensayo de autonomía realizado. No obstante, debido a la construcción de un nuevo sistema de almacenamiento, motivada por la intención de emplear este prototipo como medio de transporte durante el verano, realizando múltiples ensayos, obteniendo mediciones y continuando con la optimización del diseño; se construye una batería que, según el modelo de cálculo empleado será capaz de alcanzar una autonomía máxima de 22,1 km a una velocidad media de 15,5 km/h en trayectos con una pendiente media del 2%. • Pendiente máxima: Se pretendía desplazar a una persona de 70kg con facilidad en pendientes de hasta el 15%. Tal y como se comenta en las conclusiones del primer prototipo (Apartado 6.5 del Capítulo 6) este funcionalidad fue superada con creces al lograr un sistema capaz de superar pendientes del 16% con un peso total de 90kg y a una velocidad de 16 km/h. Durante la primera fase de desarrollo del prototipo Mk2, y tras las modificaciones realizadas al sistema de transmisión, se aumenta la pendiente máxima teórica hasta un 18 % bajo condiciones prácticamente idénticas. Tras la sustitución del sistema de almacenamiento, y por tanto una vez aumentada la potencia del sistema hasta los 1069 W el valor máximo teórico de pendiente para una velocidad de 15,5 km/h y sin superar los 60 A nominales es del 27%, muy superior a cualquier rampa encontrada en entornos urbanos de la península ibérica. Calle Localidad Pendiente % El Monroy Santa Úrsula (Tenerife) 30 Sales y Ferrer Barcelona 25 Enrique Gran Santander 25 Pozo amargo Toledo 22 Ffordd Pen Llech Gales (Reino Unido) 37,45 • Finalmente, tras ensayar el sistema de frenada mediante disco de freno, se concluye que a pesar de cumplir con la eficacia de frenada deseada, el accionamiento planteado, y la brusquedad de la frenada, dificultan la coordinación mano – pie, resultando en una frenada menos ergonómica de lo esperado. No obstante, la realización de un sistema de frenada funcional único en el mundo del patinaje es sin duda un éxito a tener en cuenta. 148 8.2 Análisis técnico económico del proyecto Tabla 14. Cuadro comparativo de costes por fase y prototipo Mk1 F1 Mk1 F2 Mk2 fase 1 Mk2 fase 2 Costes por material Patín original 154,99 € - € - € - € Estructura 5,00 € - € 42,74 € - € Impresión 3D 2,50 € 6,50 € 11,00 € - € Tornillos turcas y arandelas 5,85 € - € 2,35 € - € Ruedas - € - € 30,31 € - € Rueda Libre conducida 6,99 € 7,99 € 5,65 € - € Rueda motriz 7,58 € - € 0,30 € - € Correa 12,56 € - € 13,64 € - € Motor 41,99 € - € - € - € Batería 38,69 € - € - € 87,21 € Cableado y Conectores 2,95 € - € - € 4,50 € Spark Switch - € - € - € 36,00 € BMS - € - € - € 15,84 € ESC 36,93 € 28,93 € - € 125,10 € Mando 35,00 € 14,85 € - € - € Costes totales Total SPE / fase 196,04 € 58,27 € 105,99 € 268,65 € Total SPE / prototipo 254,31 € 374,64 € Total Patines / fase 351,03 € 58,27 € 105,99 € 268,65 € Total Patines / prototipo 409,30 € 374,64 € Horas de Ingeniería 300 h 100 h 200 h 150 h Coste Ingeniería (11,41€/h) 3.423,00 € 1.141,00 € 2.282,00 € 1.711,50 € 4.564,00 € 3.993,50 € Costes totales /fase 3.774,03 € 1.468,88 € 2.638,51 € 2.297,97 € Costes totales /prototipo 5.242,91 € 4.936,48 € Coste total del proyecto 10.179,39 € Precios orientativos por versión sin computo de horas ni margen de beneficio SPE 196,04 € 169,94 € 233,40 € 431,48 € Patines completos 351,03 € 327,88 € 356,51 € 586,47 € 149 Dado el trabajo de grado ha consistido fundamentalmente en el desarrollo y optimización de modelos físicos, se ha considerado de especial interés reflejar de forma organizada las inversiones de tiempo y economía al desarrollo de cada fase y prototipo. Así se pretende obtener un parámetro más para contrastar la forma de afrontar en este aspecto cada etapa del proyecto. Primer se analiza la distribución de las inversiones de tiempo y dinero entre las distintas fases del proceso. La primera fase del prototipo Mk1 fue la más exigente del proyecto tanto en tiempo como en inversión de capital. Los primeros procesos de “brainstorming” o lluvia de ideas y asentamiento de conceptos resultaron especialmente exigentes en horas de trabajo, centradas en su mayoría en la búsqueda de información y análisis de sistemas mecánicos similares, que junto con procesos de bocetado conformaron el concepto de viabilidad mecánica que llevó a la concepción del primer diseño. Por otro lado, resulta esperable que inversión económica inicial sea mayor que en el resto de las fases de prototipado (el doble que la media de inversión por fase de desarrollo), dado que gran parte de los componentes y elementos adquiridos entonces, o bien se adaptaron o bien fueron empleados sin modificaciones, entre iteraciones de diseño del prototipo Mk1. De hecho, este efecto se aprecia con claridad al analizar las horas empleadas en la segunda fase de desarrollo del prototipo Mk1, dado que tanto el tiempo empleado, como la inversión económica hasta obtener de nuevo un sistema funcional del que extraer conclusiones, fue significativamente inferior. En el prototipo Mk2 la distribución de los costes de material y tiempo tuvo lugar de se distribuyeron de forma inversa entre fases, durante su primera fase de desarrollo se realizó 28% de la inversión económica del prototipo. La razón es de nuevo evidente, la primera fase trataba de lograr la máxima optimización del sistema mecánico alcanzable con los conocimientos y herramientas disponibles. Lo cual llevó a un proceso de ingeniería mucho más exhaustivo que en la fase siguiente, con mayor número de horas empleadas, tanto en la toma de decisiones y proceso creativo, como en el proceso de aprendizaje constante en el uso de herramientas de diseño 3D y procesos de fabricación. La segunda fase de este prototipo, por el contrario, requirió de procesos de ingeniería más similares a los desarrollados en el grado, aplicando conceptos de asignaturas del grado, como electrónica de potencia, electrometría, motores especiales, máquinas eléctricas, energías renovables o informática industrial. Facilitando el proceso de aprendizaje en entornos como VESC Tool o campos como el diseño y dimensionado de baterías mediante celdas electroquímicas. 150 8.3 Cumplimiento de objetivos generales El primer objetivo del proyecto VIENTOs dentro de los márgenes de trabajo de este TFG era precisamente llegar hasta este punto de la memoria, habiendo hecho una correcta documentación de los prototipos desarrollados, explicando de forma concisa las fases de desarrollo, toma de decisiones, resultados y conclusiones y mejoras propuestas tras cada iteración de diseño. Cuando empecé a escribir esta memoria, lo hice a partir de toda la documentación recopilada desde principios del curso 2021-2022, dos años de cálculos, diseños y conclusiones. Extraer la información esencial para conformar un documento legible, interesante y formativo, que sirva de inspiración para futuros alumnos con ideas y motivaciones similares, ha sido un proceso lleno de esfuerzo y pasión. Leyendo este documento, casi concluido, siento que tiene el potencial para aportar ideas poco convencionales y motivar hacia la realización de procesos de prototipado similares, tanto a nuevos lectores, como a mí mismo, quien, sin lugar a duda, hará buen uso de él, manteniendo viva la chispa de este proyecto. Este proyecto no habría sido posible sin las innumerables herramientas y sistemas empleados, tanto para el diseño y cálculo de soluciones, como para la fabricación o adquisición de las mismas. Es por tanto, en sí mismo, una prueba viviente (aunque de momento inerte) de que hoy en día disponemos de una infinidad de herramientas con las que llevar a cabo prácticamente cualquier idea. Internet nos ha abierto las puertas a la comunicación, la información y la formación comunitaria, uno de los mayores regalos del mundo contemporáneo. Tenemos a nuestra disposición una inmensidad de diseños y prototipos con los que inspirarse, incluso en el desarrollo de conceptos sobre los cuales prácticamente no existe información en la red, como han sido los patines eléctricos, disponemos de contenido formativo sobre prácticamente cualquier herramienta de diseño, software o componente electrónico; Y en caso de no existir, tenemos la posibilidad de crear esa información y compartirla. El concepto del aprovechamiento y aporte a contenido open-source y los creative commons ha sido sin lugar a duda uno de los aprendizajes más grandes obtenidos durante el desarrollo de este proyecto. Finalmente, como no podía ser de otra forma, el tiempo dedicado a los métodos de fabricación 3D, el diseño mecánico, y el diseño de sistemas eléctricos y de control, me ha permitido asentar los conocimientos de los que disponía al inicio, abriendo nuevas vías de conocimiento que emplear en la continuación del proyecto VIENTO’s y en los innumerables proyectos que me esperan en el mundo laboral. 151 8.4 Líneas de desarrollo Los ensayos realizados sobre el prototipo Mk2, y la puesta en común lo concluido a lo largo de este trabajo de fin de grado, generan fundamentalmente tres vías de desarrollo, que se centran en el desarrollo de soluciones que, tal y como se presenta en el apartado 8.1 Cumplimiento de parámetros funcionales, podrían lograr una optimización sustancial del prototipo, llevándolo a una posición muy competitiva frente al resto de opciones del mercado actual. 8.4.1 Motor BLDC Out-runner “Pancake” convertido a Hub-Motor Concluida la segunda etapa de prototipado, no cabe duda de que el sistema que más iteraciones de diseño y optimizaciones ha recibido ha sido el tren de potencia. Mientras que a partir los conocimientos existentes sobre los conceptos eléctricos de un SPE aplicados en e-bikes, patinetes o e-skates pueden ser de aplicación al proyecto, la estructura, la transmisión, el motor y la disposición de los elementos del tren de potencia ha supuesto un reto continuo. Esto ha llevado al sistema de transmisión a un nivel de depurado que con los medios disponibles de diseño y fabricación, resulta difícilmente superable. La vía de desarrollo que se ha encontrado como solución a este cuello de botella, es la aplicación de una solución que rompa con el esquema planteado. Los patinetes Xiaomi, las bicicletas eléctricas con motor frontal o trasero, y muchos otros sistemas, emplean la característica más definitoria de los motores BLDC outrunner, su rotor externo, como llanta, evitando así el uso de un sistema de transmisión mecánica, y reduciendo pérdidas por fricción. A este componente se le denomina comúnmente “hub-motor” o en castellano motor de buje. Este uso del motor BLDC es posible gracias al aumento de par que supone un rotor externo respecto a los motores in-runner, debido a un mayor del brazo de aplicación del par generado por la fuerza magnetomotriz del estator sobre el rotor. Ilustración 132. Dimensiones tipo de motores de buje para e-bike y patinetes [35] [36] 152 Ilustración 133. Motor de buje, desarrollado a partir de un motor N5065 para e-skates [36] Dado que no existen opciones comerciales a la venta compatibles con las dimensiones requeridas por unos patines eléctricos, se plantea la opción de emplear motores de drones agrícolas también denominados motores “Pancake”, similares al N5065, pero como su nombre indica, más parecidos a una tarta que a un barril, y por consiguiente, con dimensiones análogas a las de una rueda de patín. Tras un proceso de investigación, se han encontrado dos posibles modelos de motor BLDC, uno aplicable a ruedas de perfil fino (32 mm) como las usadas en los prototipos Mk1 y Mk2, con mejor maniobrabilidad y más adecuada en entornos urbanos, y otro para perfiles gruesos (39 mm), similar al motor que montan los patines Escend. Ilustración 134. Motores BLDC Pancake de dimensiones óptimas [37] Ambos motores presentan una constante de velocidad de 120 rpm/V, un 37,5% de la KV del motor actual, lo cual junto con una reducción del tamaño de la rueda, dejaría una relación de km/h por voltio similar a la actual, presentando un par casi tres veces superior por amperio consumido. 153 8.4.2 Nuevo concepto del sistema de frenada Los problemas encontrados con el sistema de frenada actual mediante disco de freno y accionamiento manual son los siguientes: • Brusquedad en la frenada a causa del alto coeficiente de adherencia de la pinza cerámica sobre el disco de aluminio. Esto produce un cambio violento del momento lineal del patinador aplicado directamente en los pies, generando un momento de inercia muy grande ya que el centro de masas de un ser humano se encuentra en la pelvis, a más de 1 metro de la planta de los pies. Este fenómeno provoca una pérdida de equilibrio al usuario, quien debe anteponerse a la frenada. • Coordinación mano - pie en la frenada, para evitar la violencia del cambio de momento lineal en los pies, se debe coordinar el movimiento corporal y la presión ejercida sobre la maneta de freno, dando como resultado un sistema de frenada poco ergonómico. • Compleja coordinación del sistema de propulsión y frenada un sistema en cada mano, produciendo una rampa de aprendizaje que dificulta la comodidad en los primeros usos. Para solucionar los problemas antes mencionados, se propone una modificación completa del sistema de frenada, partiendo de nuevo desde el análisis de sistemas de frenada realizado en la primera elección de este sistema de seguridad (Primer sistema de frenada activa, dentro del apartado 7.1.30). La brusquedad en la frenada es un parámetro inherente al tipo de freno. Si ordenamos los sistemas de frenada descritos en el apartado 0 “Primer sistema de frenada activa” de mayor a menor sensibilidad de frenada se obtiene la siguiente lista: 1 De disco 2 De tambor 3 De llanta o aro 4 Sobre banda de rodadura 5 Directos o sobre terreno El sistema de tambor queda descartado debido a su similitud en cuanto a punto de aplicación de la fuerza de frenada con el freno de disco, aún muy lejos del perímetro de la rueda. La primea opción que podría resultar en una suavidad suficiente que mejore la ergonomía del sistema sería el freno de aro. Esta opción se desestima debido a las complicaciones que supondría la instalación de un sistema así sobre unos patines, con ruedas mucho menores en diámetro y cuyo aro sufriría un desgaste severo.