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PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS Autor: David Puertollano Ventura Director: Javier Óscar Abad Blasco Escuela de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad de Zaragoza Febrero de 2013 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 1 A mis padres, gracias por la paciencia A Viktoria, gracias por el rumbo A mi hermano, mucho éxito A los que están, os quiero A los que ya no, os lo dedico Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 2 Índice Prefacio 4 Origen del proyecto 4 Motivación 6 ¿Qué es BIK-E.R.S.? 8 Introducción 9 Alcance y objetivos del proyecto 9 Metodología utilizada 10 Nomenclatura 11 Planteamiento general del problema 12 Consideraciones teóricas 12 Consideraciones prácticas 13 Toma de datos 15 Estudio del problema I: Dinámica 18 Frenadas suaves 18 Frenadas fuertes 18 Estudio del problema II: Mecánica 20 Estudio del problema III: Mecanismo de almacenamiento de energía 21 Recepción de energía 21 Almacenamiento de energía 22 Transmisión de energía 23 Diseños preliminares 23 Evaluación de las alternativas de diseño 28 A) Lámina o barra delgada 29 Diseño del mecanismo 30 Panel Separador 32 Acoplamientos 33 Horquilla 34 Llanta de la rueda 35 Mecanismo de sustentación de la rueda 36 Recepción de energía 37 Almacenamiento de energía 38 Dimensionamiento de la barra 39 B) Muelle en espiral 47 Diseño del mecanismo 48 Recepción de energía 50 Almacenamiento de energía 54 Dimensionamiento del muelle 56 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 3 Software industrial 61 Transmisión de energía 65 Dimensionamiento de engranajes 67 Dimensionamiento de engranajes de la base del muelle 71 Diseño de engranajes de transmisión del movimiento 72 Estudio del problema IV: Eficiencia 73 Mecanismo A 74 Mecanismo B 74 Comparación con modelos del mercado 77 Retrospectiva y legalidad 77 Valoración de una bicicleta eléctrica 78 Legislación 79 Fabricantes de bicicletas eléctricas 80 Consideración 80 Modelos 81 Copenhagen Wheel 81 Wisper 905sel 82 Electricbike 83 Drymer v0.5 84 Optibike 1100R 85 Beneficios posibles 86 Salud. Esfuerzos cardíacos. 86 Posibilidades de comercialización 87 Barandilla para el carril bici 88 Conclusiones 90 Bibliografía 91 Libros y apuntes 91 Páginas web y direcciones 91 Cálculos de muelles en espiral y de compresión. Fabricantes. 91 Noticias 91 Partes mecánicas y bicicletas 92 Rodamientos 92 Engranajes 92 Científico y datos 93 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 4 Prefacio Origen del proyecto Dijo Einstein una vez: “Life is like riding a bicycle. To keep your balance you must keep moving.” La vida es como ir en bicicleta. Para mantener el equilibrio debes seguir moviéndote. Esta idea surgió básicamente de la necesidad. Se escogió de entre varias ideas por su originalidad y posibilidad de libre diseño y creación. Tras una búsqueda en bases de datos de internet a cerca de patentes, no hallé ningún sistema puramente mecánico que pudiese ayudar a gestionar la energía cinética “de desecho” en bicicletas u otros medios de transporte. La motivación es clara, deseo mejorar algo ya de por sí bueno. En la actualidad existen cientos de medios de transporte propulsados por diferentes fuentes de energía. Estos sistemas, forzosamente incorporan un motor, al que hay que alimentar. Además es necesario un mantenimiento especializado y son susceptibles de sufrir una avería eléctrica en el momento menos deseado. Su precio no suele bajar de los 2.000 €, y para colmo, sus desechos pueden resultar nocivos para el ser humano y tóxicos para el medio ambiente a largo plazo. Su peso también es considerablemente mayor que una bicicleta normal, y no conviene dejarlas atadas a un aparca-bicis con un candado endeble. Además, bajo mi punto de vista, dejan de ser bicicletas en cuanto se comprueba que la autonomía de la mayoría de los modelos supera los 40 kilómetros. Se puede ir al trabajo y volver a casa sin dar una pedalada. Yo mismo realicé una encuesta anónima de cuatro preguntas a través de internet, en la que se pedía a los encuestados que respondiesen a cerca de sus opiniones sobre los medios de transporte que usan. Los resultados que se muestran a continuación son los obtenidos: 0 2 4 6 8 10 12 Gasto que genera Comodidad Calidad Diseño Funcionalidad Accesibilidad Punto de venta Durabilidad Reparación sencilla (es… Reparación económica ¿Otros? ¿Cómo de importantes consideras estas características para valorar un sistema de transporte? Muy importante Importante Poco importante Nada importante Fig. 1 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 5 De estas preguntas podemos deducir que a casi todo el mundo le parece muy importante cuánto gaste el medio de transporte que usan (billete de autobús, gasolina, seguro o precio de compra): Sin embargo: Así que lo único que se puede pensar es que la gente realmente quiere usar medios de transporte baratos o gratuitos, como una bicicleta, pero que sin embargo no lo hacen, seguramente influenciados por su falta de costumbre y por las exigencias diarias en el ámbito laboral, que normalmente no concuerda con la filosofía de libertad que aporta una bicicleta. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 ¿Si tuvieras que invertir tu dinero en mejorar tres cosas de tu medio de transporte, cuáles serían? 0 1 2 3 4 5 6 ¿Cuál es tu medio de transporte habitual? Fig.2 Fig. 3 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 6 Motivación Mi necesidad parte de que yo mismo soy usuario de una bicicleta a diario, tanto para acudir a las clases de la Universidad, como para atender mi trabajo por horas. El poder del pensamiento es alto, a veces basta con un poco de imaginación para pensar en situaciones difíciles e incómodas que podrían ser mejoradas con un poco de ingenio, en lugar de con la intervención de un desembolso económico importante. Siempre he estado convencido de que el ser humano se ha vuelto conformista con su entorno, el consumismo es una prueba de ello. Sabemos que podemos evolucionar los inventos existentes, volverlos más ecológicos y eficientes, pero muchas veces nos conformamos con lo que existe, aunque no cumpla nuestras expectativas, o esperamos a que lo haga otro, con la esperanza de que mejore la parte que a nosotros más nos interesa. Mi mayor interés es realizar una máquina ecológica, que sea fácil de arreglar si se estropea y cuyo precio de compra sea económico. Algo, que con el tiempo, se volviese un mecanismo más cotidiano, más mecánicamente tecnológico y menos electrónico, y que suponga una pequeña ayuda al ciclista, y no un medio de transporte en sí mismo. Así podríamos seguir usando un aparato que todavía se llame bicicleta y no pierda su estatus al introducirle mejoras en su funcionamiento, y sobre todo que no asuste. Debería ser tan sencillo de entender, que la gente incluso se interese por él, para que pueda ser mejorado en el futuro con la introducción de nuevas ideas, materiales, estudios y optimizaciones. Me siento orgulloso de haber podido realizar un proyecto en el que he diseñado y calculado, siempre de forma aproximada, las dimensiones, formas y mecanismos de una llanta de bicicleta que puede albergar un sistema recuperador de la energía cinética perdida al frenar. ¿Por qué dejar que la energía cinética se transforme puramente en calor, siendo que podríamos aprovecharla para impulsarnos al arrancar de nuevo? Cito a Einstein otra vez: “Imagination is more important than knowledge. For knowledge is limited, whereas imagination embraces the entire world, stimulating progress, giving birth to evolution. It is, strictly speaking, a real factor in scientific research.” La imaginación es más importante que el conocimiento. El conocimiento es limitado, mientras que la imaginación abarca a todo el mundo, estimulando el progreso, dando a luz a la evolución. Es, hablando estrictamente, un factor real en la investigación científica. Las bicicletas tienen muchas cualidades que todos conocemos y de las que sólo algunos disfrutamos. A la par, existen ciertos inconvenientes que podrían ser “atenuados” para propiciar una mejora en la experiencia del uso de la bicicleta. De momento, no podremos eliminar las pendientes de los caminos ni el viento de las calles, pero sí podremos entrar en un campo poco explorado hasta el momento para idear e implementar una mejora técnica. Por supuesto, este sistema está diseñado para una bicicleta de calle, pero podría ser recalculado y adaptado en cualquier momento a otros tipos de vehículos o sistemas. Las soluciones de los apartados han sido calculadas algebraicamente, para después introducir los datos del problema y obtener los baremos más representativos. Además, Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 7 podría haber desarrollado otro tipo de soluciones más creativas, aunque he preferido centrarme en el problema más general, para hallar una solución rápida y factible en modelos de bicicletas existentes. Hay eventualidades que ocasionan una pérdida de ritmo en el ciclista, obligándole a retomar la marcha una vez ha tenido que frenar sin tener tiempo de cambiar de piñón, o haciendo que tenga que tomar la salida con los pies en el suelo o introduciéndole frecuentemente en una situación aún más peligrosa que la previa, con coches o autobuses a velocidades mucho más altas y en espacios bastante reducidos. Mi intención es saber si eso es técnicamente evitable: proporcionando una salida mucho más consistente y estable contribuimos a que el esfuerzo y el tiempo invertidos sean menores. Fig. 4, El Coso Fig. 5, Carril bici cortado Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 8 ¿Qué es BIK-E.R.S.? BIK-E.R.S es el nombre de la hipotética marca que podría comercializar dispositivos de este tipo. Las siglas lo dicen todo: Bicycle Energy Recovery System, y le hemos asignado una imagen de marca: A partir de ahora, en lugar de decir “mecanismo recuperador de energía”, podremos llamarlo por su nombre. Ahora mismo, con la influencia de la fórmula uno, poca gente no sabe lo que es un K.E.R.S. Este dispositivo es el encargado de almacenar energía de las frenadas y transformarlo en potencia extra cuando el piloto la necesita. Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 15 Toma de datos Como ejemplo, tomemos como referencia un corto recorrido urbano: 1.1 km de carril bici + 0.3 km sobre la calzada. 1.4 km, 22 minutos a pie. Se han llevado a cabo dos mediciones estimativas de la velocidad alcanzada según el tiempo transcurrido. Se toman datos del tiempo transcurrido entre semáforos y posteriormente, con las distancias conocidas, se realizaron sendas tablas de datos, de las que obtenemos las siguientes gráficas. Esta medición puede demostrar que el uso de una bicicleta para ciertos recorridos urbanos es muy beneficiosa. Cabe decir que el trayecto es ligeramente cuesta abajo y permite viajar velozmente sin demasiado esfuerzo. El sábado 19 de Enero de 2013, alrededor de las 15.30 h: En bicicleta, suponiendo unas condiciones climatológicas aceptables, un recorrido de 2 km debería durar unos 180 segundos. Nótese, que ni siquiera ha tenido que detenerse en ninguna ocasión, lo cual hace la recuperación de energía cinética mucho más sencilla y menos costosa. La gráfica demuestra que las frenadas son suaves y graduales, porque son conocidas. Se miden las Pulsaciones Por Minuto tras dos minutos de dejar la bicicleta para comprobar el esfuerzo realizado: 80.     7 . 3   /  .    3 . 8   /  .      1 . 5   /   0 5 10 0 50 100 150 200 250 300 [m/s] Tiempo de viaje [s] Velocidad Fig. 13 Fig. 1 4 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 16 0 5 10 0 50 100 150 200 250 300 350 [m/s] Tiempo de viaje [s] Velocidad El mismo recorrido medido dos días después, el lunes 21 de Enero a las 16.00 h., con mayor afluencia de tráfico y peatones. Estas condiciones son las más normales en el centro de una ciudad e implica que se repite con más asiduidad que el caso anterior. Las marcadas en rojo son las frenadas tan inoportunas de las cuales podríamos obtener la energía mecánica desperdiciada a la que hemos hecho referencia para poder ayudar en la aceleración. -4 -2 0 2 4 0 50 100 150 200 250 300 350 [m/s²] Tiempo de viaje [s] Aceleración Fig. 15 Fig. 16 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 17 En cualquier caso, la experiencia es la mejor amiga, y la prisa es la peor consejera. Las aceleraciones fuertes no son siempre la manera más eficiente de conducir una bicicleta. Es mejor intentar prever la intención de un peatón que no mira, o de un coche que se queda cruzado donde no debe. Digamos que aquel día el autor de este documento tuvo algo de suerte con un conductor que pensó que tenía prioridad. Pulsaciones Por Minuto después de dos minutos: 106.   7.5/.   2.8/.   2.8/. De hecho, es esta última deceleración la que llama la atención de entre todas las medidas de los dos días. Al ser un movimiento tan imprevisible, se convierte en algo casi imposible de aprovechar. Es como intentar aprovechar la energía de un terremoto. La mejor manera de dimensionar el problema es estudiar el movimiento dinámica y mecánicamente. Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 18 Estudio del problema I: Dinámica El individuo en cuestión pesa con ropa alrededor de 85 kg, y la bicicleta que conduce es una  !"#$, con cuadro de aluminio, con un peso aproximado de 15 kg. La suma de ambos da un total cercano a 100 kg, así podemos deducir la fuerza necesaria para frenarlo. Los datos proceden de datos tomados experimentalmente: A una velocidad razonablemente alta se toman medidas (tiempo y espacio) de las frenadas descritas a continuación: Frenadas suaves No siempre que frenamos lo hacemos de emergencia. Una frenada no prevista pero sin riesgo puede completarse en unos 20 metros, dependiendo de la velocidad. Si suponemos que se puede alcanzar una velocidad de 25 km/h, y que la deceleración puede ser constante:   7/  % 0/   0 ∆6  % 17.5      )       0 Frenadas fuertes Algunas frenadas deben realizarse en menos espacio, pudiendo tener que acortar tiempo y espacio de reacción. Frecuentemente, y para evitar el peligro según sea la situación, los ciclistas pueden tener que bloquear las ruedas o seguir una trayectoria que evite el choque, aumentando la distancia y el tiempo. Supondremos para el análisis que las ruedas giran sin deslizar sobre la calzada y que la trayectoria seguida es recta. Así queda:   7/  % 0/   0  % 5.5 ∆1.5 De modo análogo al anterior obtenemos: En este tipo de frenadas, la energía cinética desciende de forma mucho más brusca.      ≅  120  +   2 ,  %        -   44 36   1 . 2  m / s  1 1        7 1 . 5   4 . 6  m / s       ≅  460  + Fig. 1 4 Fig. 15 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 19 El trabajo realizado en cada una de las frenadas es el mismo, ya que pierden la misma energía cinética, pero no así la potencia de frenado, que es mucho mayor en las frenadas fuertes, debido al menor tiempo requerido en detener al ciclista. + (potencia), es la energía desprendida o absorbida por unidad de tiempo: 2 34 1 2  2,4506 + 2  Porlotanto,lapotenciadecadafrenadaes: + EFG 24506 6 408.3H + %FIJ 24506 1.5 1633.3H Sabiendo que el diámetro de una rueda de bicicleta de 26’ es de unos 65 centímetros, calculamos la aceleración angular del caso que nos interesa: aKL K %FIJ a#4.6 0.32514.15#M/  Podremos saber también el número de vueltas que han girado las ruedas hasta detenerse: NN  O  K  2 En nuestro caso de la frenada fuerte: O# O #7 0.32521.37#M/ → N  1,5  21,371,513,491,5 2 216,92#M≅2,7R"S Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 20 Estudio del problema II: Mecánica Para permitir almacenar el movimiento rotatorio del neumático, debemos hallar la inercia equivalente que es capaz de rotar con la velocidad angular equivalente a la lineal, que nos permitirá diseñar el mecanismo en los siguientes pasos. 2 34 1 2  1 2T UG O  Siendo así, OL, obtenemos que: 1 2  1 2T UG O  Particularizando para la situación de la frenada fuerte obtenemos que: T UG   O  OL  O  L  1000.325  10.5625VWX  Y Z [ T UG K→Z [ 145.33V+Y Esto quiere decir que nuestro ciclista provoca un momento torsor de 145.33+ con los frenos para detenerse. Cuando estudiemos nuestros sistemas deberemos tener cuenta que el ciclista frena con los dos frenos a la vez. Sería lógico pensar que si sólo frenase con uno de ellos, generaría menos momento torsor y por lo tanto su deceleración sería menor. Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 21 Estudio del problema III: Mecanismo de almacenamiento de energía El mecanismo de almacenamiento de energía es la parte esencial del proyecto. En él se centra el diseño del método de recepción, almacenaje y transmisión de la fuerza motriz de desecho. Al ser la parte mecánica la que tiene que dar sustento a la idea, se piensa en sistemas elásticos basados en principios de acción-reacción que puedan cumplir los siguientes requisitos: Recepción de energía Debe entrar en funcionamiento con la acción de la palanca del freno. Al mecanismo de freno original se le añade un accionador que permita el uso de la misma palanca para activar un sistema de freno u otro. Puede realizarse como un tope situado en la carrera del mango del freno, que al llegar a cierto ángulo arrastre la pestaña accionadora del ERS. Ya que las frenadas no suelen ser “de emergencia”, el primer tramo del accionamiento debería actuar solamente sobre los frenos de fricción convencionales. En esos casos el ciclista intenta ajustar su marcha de manera suave a la situación, por lo que la pérdida de energía es más escalonada y no es tan aprovechable: Es una pérdida de energía deseada que produce el efecto de una deceleración suave, por lo que \]^ _.`.a. no debe entrar en funcionamiento. En el momento en el que la frenada suave no fuese suficiente, deberíamos presionar más el freno, para acortar la distancia y el tiempo de frenado, aumentando la presión de las zapatas sobre el tambor de la llanta. Además de que es un acto reflejo, presionar el freno más de lo necesario puede conllevar derrapes, resbalones y caídas de la bicicleta, sobre todo en días lluviosos o con la calzada resbaladiza, y es más fácil accionar el freno hasta el final en distancias cortas, para aumentar la potencia de frenado. En estos casos, ya que el freno de fricción entra en funcionamiento anteriormente, se pierde algo de momento torsor disipado en forma de calor en los frenos. Se ha llegado al consenso con el director de este proyecto de que la energía almacenable sea el 30 % de la inicial, ya que además de que frenamos con dos frenos, sólo activamos el KERS cuando ya ha comenzado la frenada, así que la energía que todavía quede no puede ser muy elevada. Frenada suave, con zapatas. Frenada fuerte, con \]^  _ . ` . a . Fig. 16, palanca de freno Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 22 Almacenamiento de energía Una vez se ha frenado durante el trayecto lo suficiente como para mover el resorte hasta cierta posición desfasada, se bloquea el disco mediante dientes con el fin de almacenar la energía potencial, de manera que se quede el resorte tensionado hasta la descarga. Se han tenido en cuenta muelles lineales y circulares, pletinas de resortes, tornillos de potencia, varios sistemas de transmisión de movimiento, sujeciones, etc. Fig. 17a, 17b, 17c, Método de carga Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 23 Transmisión de energía Es la fase en la que el movimiento giratorio del sistema de almacenaje se libera de la tensión a la que lo hemos sometido en la carga. Así obtendremos un par de giro en la rueda que nos ayudará en la salida. Tras compararlos, se elijen dos mecanismos, los que por su sencillez se consideran más robustos y fiables para ejercer de resorte. Se presentan como las opciones A) y B) que vienen a continuación. Diseños preliminares Éste es el germen del proceso de diseño y es la fase que más depende del ingeniero. En esta etapa se pretende tomar decisiones sobre configuraciones, dimensiones y otras especificaciones alternativas, planteando múltiples variantes a través del dibujo conceptual y el bombardeo de ideas nuevas que permitan la solución del problema. Estos prediseños deben ser juzgados críticamente para filtrar aquellos modelos que no resulten beneficiosos o factibles. Alguno de ellos se presenta a continuación. Debe mencionarse que la mayor parte del tiempo invertido en este proyecto se ha dedicado a hallar y a visualizar las formas de alcanzar los objetivos deseados. Uno de los primeros bocetos Fig. 1 8 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 24 Razonamiento inicial (erróneo) del movimiento circular en la bicicleta. En la siguiente imagen, se toma la determinación de hacer una llanta sin radios, es decir, que el neumático y la llanta no estén sustentados por los radios, sino por soportes con rodamientos unidos a las barras Fig. 20b, Se planteó la implantación de un sistema de bloqueo mediante embrague de fricción, activado por el giro interno en el eje. Fig. 19 Fig. 20 a Planteamiento de disco de inercia y llanta sin radios Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 31 Primero veremos una vista explosionada del mecanismo y luego explicaremos las partes menos comunes del sistema: 1 Acoplamiento de entrada 4 Barra sometida a flexión 7 Acoplamiento de salida 2 Engranajes 5 Ejes de los engranajes 8 Eje 3 Panel separador 6 Anillos dentados 9 Rodamientos lineales 1 2 2 2 3 4 5 6 6 8 7 9 9 Fig. 31 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 32 Panel Separador Como punto de partida, se dispone un plato central, solidario al eje, que parte el espacio en dos entre los dos mecanismos. Funciona a modo de soporte para los trenes de engranajes, pudiendo estar estos fijos, evitando así las pérdidas de traslación que se generarían en la transmisión del movimiento hasta el mecanismo almacenador de energía debido a la rotación de los engranajes en torno al eje. Si no hubiera una geometría fija, el mecanismo almacenador quedaría en reposo. Para un montaje más sencillo, se ha dividido en dos partes, el panel y el eje, que encajan mediante un perfil como se ve en la figura: Fig. 32 Fig. 33 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 33 Acoplamientos Para alternar entre el canal de carga y el de descarga, existen dos pletinas en cada lado que funcionan alternativamente como un embrague de fricción. El libre desplazamiento lateral se consigue alojando los acoplamientos sobre rodamientos lineales. El desplazamiento está condicionado al accionamiento manual desde la palanca de freno y se produce a través de un sistema de pinzas con un resorte incorporado a la horquilla que hace que vuelva a su posición natural cuando no se presiona. Ambos acoplamientos se encuentran a una distancia tal, que el posición neutra ninguno de los dos está activo. Al desplazarse lateralmente y engranar, se consigue que el giro de la rueda sea solidario con el sistema que activa el acoplamiento. Se transmite así tanto el movimiento de entrada como el de salida y también se permite, a parte del funcionamiento alternativo de los acoplamientos, su desactivación para poder rodar libremente. Fig. 34 Fig. 35 Fig. 36 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 34 Horquilla Dado que he supuesto que hay que cambiar el sistema de sujeción de la rueda, he diseñando también la horquilla y los soportes de los rodamientos que harían esta función posible. Éstos están dispuestos de tal modo que permiten girar a la rueda sin que sea necesario que gire su eje, permitiendo así el desfase mecánico con la parte fija interna. Este sistema ya está incorporado en algunos sistemas y productos. Su implantación no parece que sea un hecho, pero es una alternativa de diseño que nos permite cumplir con nuestro objetivo. Otros productos que incorporan este sistema Fig. 37 Fig. 40 Fig. 38 Fig. 39 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 35 Llanta de la rueda Se ha creado también esta llanta de bicicleta que tiene como principal fin servir de soporte y de guía a los rodamientos sobre los que se sustenta. Es el complemento de la horquilla y debe poder enganchar con los acoplamientos laterales cuando se requiera una u otra acción. La marca blanca en el neumático es una señal que hace más visible cada giro de la rueda. Fig. 41 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 36 Mecanismo de sustentación de la rueda Como el mecanismo se basa en un movimiento relativo entre el eje de la rueda y el mecanismo de almacenamiento de energía, se ha optado por incorporar un sistema de sujeción de las llantas que incorporan \]^_.`.a que funciona como un rodamiento interno en la propia llanta. La función de este tren de rodamientos es permitir dejar libre el movimiento relativo entre engranajes, ejes y accionamientos, sustentando la rueda con un efecto similar a un rodamiento cilíndrico o uno de bolas. Cada brazo de la horquilla tiene dos soportes que están dispuestos en dirección radialmente opuesta. De esta manera se guía completamente a la rueda, impidiendo que salga de su eje de rotación. Fig. 42, Soporte superior Fig. 43, Vista frontal Fig. 44 Soporte inferior Fig. 45, Vista de la llanta con acopladores antiguos Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 37 Recepción de energía El giro de la rueda es el movimiento activador del sistema que, cuando entra en funcionamiento, realiza una conversión tanto del momento torsor como de la velocidad angular, para conferirle ese movimiento a la carcasa y que ésta, a su vez, flexione el resorte. Tendremos en cuenta que el momento torsor introducido es el 30% del generado, debido a que el sistema entra en funcionamiento después de accionar los frenos. Cuando el ciclista necesita frenar, el sistema de acople debería ser lo más rápido posible. Esto es una medida de seguridad, pues si un ciclista cuenta con la fuerza de frenado cuando más la necesita y falla, el resultado puede ser muy negativo. El acople podría estar accionado por un muelle que se tense cuando el acoplamiento está inactivo, para soltar de golpe su efecto cuando se requiere su activación. El engrane entre los dientes debe ser unidireccional para que, en caso de enganche accidental o de movimiento hacia atrás de la rueda, el acople salga de la órbita de enganche sin alterar el giro libre de la rueda. El diseño de esta parte ha resultado bastante problemático. La introducción de piezas que no son específicas para este tipo de movimientos (rodamientos lineales) y de cargas compuestas radialaxial han propiciado que mezclemos componentes, con un resultado imprevisible. Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 38 Almacenamiento de energía El almacenamiento de energía es la clave del proceso. En este caso, con el mecanismo descrito, podremos plantear el estudio de la capacidad de almacenamiento, así como un hipotético dimensionamiento del tren de engranajes de entrada y de salida, y la energía entregada al acelerar. Tal y como se verá posteriormente, este mecanismo resulta fallido en esta fase de carga, lo cual resulta un pequeño inconveniente, puesto que nos deja una alternativa menos. Podríamos rediseñar la barra a partir de la carcasa y posteriormente ver si necesitamos engranajes reductores. Al ser una barra flexionada sí los necesita, ya que la barra girará muy poco ángulo en comparación al ángulo girado por la rueda de la bicicleta. Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 39 Dimensionamiento de la barra Para el dimensionamiento del dispositivo completo tendremos que regirnos por las restricciones de nuestra geometría. 200 cm de radio y un ancho que no puede superar el centímetro para la barra Este sistema será estudiado mediante el Teorema de Trabajos Virtuales: Aplicando el Principio de D’Alembert a la mecánica de sólidos para plantear las ecuaciones de movimiento y cálculo de reacciones usando un campo de desplazamientos virtuales que sea diferenciable. Usaremos la aproximación de Bernouilli-Euler-Navier para el planteamiento fuerte del problema de flexión, C1, por tratarse de una aproximación a una viga que puede ser considerada como delgada. 2b."cRdSde#dfM  Z g M  h i 0 2b.bfjf#.Z g 2Tk g  2b.bfj.k g M   M  M  M  l2TM   M  mh i 0nno pM Mqp∀∈t F  FORMULACIÓNFUERTE 2T  ‚ G  ‚ Z ƒ „ M Ml2TM   M  m…† i   Z g  2T M   M   M  M   l 2T M   M   m  h i ∀  ∈ t J h i M … i  M … i … i Z „ Z „  MZ „  i ‡    Fig. 46 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 40 Para la obtención de la formulación débil, multiplicamos por un desplazamiento virtual e integramos en la barra: ˆ ‰M  M  l2TM   M  mMˆ‰h i M Š  Š  Puesto que las ecuaciones del momento pueden resultar cuadráticas, habrá que integrar por partes dos veces: ˆ M‰ M Š  M Ml2TM   M  mM‹‰M Ml2TM   M  m‹  Š ˆ‰h i M Š  ˆM  ‰ M  l2TM   M  mM Š  ‹M‰ Ml2TM   M  m‰M Ml2TM   M  m‹  Š ˆ‰h i M Š  Obtenemos: ˆ k „Œ Z „ M•q „ Z „ Œ ‰… iŒ •  Š Š  ˆh i M Š  Y por reciprocidad, el enunciado general de Teorema de Trabajos Virtuales para barras sometidas a esfuerzos flectores: ˆ k „ Z „Œ M•q „ Z „ Œ … iŒ •  Š Š  ˆh iŒ M Š  Al mismo resultado podríamos llegar analizando la barra mediante Elementos Finitos o el Método Directo de la Rigidez. La discretización de la pieza en dos puntos unidos por una línea empotrada en un extremo es el ejemplo clásico para comprender la correlación entre los métodos, pero se ha elegido el Teorema de Trabajos Virtuales por ser un ejemplo tan simple, en el que ahorramos tiempo, explicaciones y espacio. Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 47 B) Muelle en espiral Un muelle de potencia conectado por un lado a la parte fija del eje, y por otro a la parte móvil de la carcasa. Así se logra un movimiento relativo o desfase entre las partes que permite almacenar una parte de la energía desperdiciada en las frenadas. Este sistema se diseña como el mecanismo de un coche de juguete al que hay que darle cuerda. En esta ocasión, y debido principalmente a problemas de espacio y peso, debemos escoger un diseño especial que permita cumplir con los requisitos de explicados en el planteamiento general del problema. Precisamente por esto, se cree que es necesario rediseñar los engranajes, a modo de que sean más compactos y permitan hacer girar el muelle de potencia desde su interior, ahorrando espacio. A esta idea se ha llegado observando los engranajes de un cambio Rohloff de bicicleta: En este mecanismo, la función de los engranajes es cambiar la relación de transmisión entre la carcasa roja (unión a los radios de la bicicleta) y el cuerpo interior de metal en el que se apoyan los engranajes. Así se logra que, desplazando lateralmente el cuerpo a lo largo del eje, el cambio de marchas se realice de forma interna. El rango de relaciones es casi infinito, ya que su sistema permite desde el acople directo de la rueda con el piñón hasta su desacople completo. Este tipo de cambios es muy apreciado por los consumidores, debido a su robustez y fiabilidad. Introduce una mejora clara en la funcionalidad de la rueda trasera. Fig. 55, Vista de sección de cambio Rohloff Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 48 Diseño del mecanismo Para la realización de este sistema, se ha optado por eliminar el tren de engranajes que se estableció en el primer diseño. Los muelles de potencia permiten entre una y 10 vueltas (o más) dependiendo de su geometría y material, por lo que diseñaremos un muelle que admita alguna vuelta más de las que se calcula que pueda girar la rueda al frenar, pero que tenga una rigidez elevada, para absorber momento torsor, y ayudar a frenar. Ahora podemos optar por transmitir el movimiento de la rueda directamente al muelle, para aprovechar cada giro de la rueda. También se ha contemplado la posibilidad de introducir un “sistema de caja de marchas” que funcionase por presión, pero se desechó por falta de espacio. Si quisiésemos introducirlo, debería incorporar, al menos, dos filas de engranajes que hagan que el giro del resorte se produzca en la dirección adecuada. Las normativas con respecto a la anchura de los dientes según el módulo del engranaje hacen que el espacio de trabajo tan pequeño (apenas 15 centímetros de largo tiene el eje) sea un inconveniente. Quizás con un estudio diferente y más detallado podríamos hallar la combinación ideal que permitiese su introducción. Con ello, lograríamos que cualquier frenada (también las más suaves) pudiese ser aprovechable, ya que ZOZO, lo que quiere decir que la potencia no varía al hacerlo la velocidad y podríamos girar el muelle bajo diferentes combinaciones de par y velocidad de giro. Se han añadido dos “enganches”, visualizados aquí de color rojo y verde para mover más fácilmente el mecanismo de carga (rojo) o el de descarga (verde). Estos enganches podrían simular la unión mediante sirga con las palancas activadoras en el manillar, ya que accionan el mecanismo del mismo modo, a tracción. Fig. 56, Vista sin tapas del interior de recepción de movimiento Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 49 El muelle deberá ir situado en la parte central del sistema, para aportar energía por el lado contrario al que entra, así podremos aprovechar bien el espacio. Nos interesa un resorte que sea capaz de conferir suficiente momento torsor a la salida, pero un valor que no sea demasiado alto, puesto que podría resultar en un derrape y la pérdida total de la energía. Por esto mismo, establecemos un sistema multiplicador (disminuirá el par que es capaz de entregar a la rueda, pero asegura que el derrape no ocurrirá tan fácilmente) Fig. 57, Vista sin tapas del interior del mecanismo de transmisión de movimiento Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 50 Recepción de energía Esta acción se lleva a cabo para cargar el resorte. Es evidente que el diseño de cualquier mecanismo depende de su funcionamiento. Se establece un sistema de platos de fricción en la entrada como medida de seguridad intermedia, para evitar que un exceso de momento torsor pueda dañar el resorte. Será el propio movimiento de la rueda el encargado de girar el muelle, y no como en el sistema A), en el que reducíamos el ángulo girado al máximo por ser el resorte una barra sometida a flexión con deformación elástica. Para saber cómo va a entrar el movimiento en el mecanismo y cuál puede ser un sistema favorable, vamos evolucionando la idea desde un simple muelle conectado al eje de la bicicleta hasta el modelo presentado más adelante. En el apartado del tercer estudio del problema se han establecido las bases para diseñar nuestro mecanismo. Primero, el manejo de la energía debe poder hacerse alternativamente, es decir, podemos desear hacer con nuestro aparato una cosa o la otra con el mecanismo con independencia de si ha cargado energía previamente o no. Habrá tres estados que reconoceremos para definir cómo debe ser el paso de un estado a otro: en carga, en reposo y en estado de devolver energía al ciclista. En segundo lugar, cuando entra movimiento al sistema es porque el usuario está conduciendo y siente la necesidad de frenar más o menos bruscamente. Ése movimiento repentino y fugaz debe transformase en el paso necesario para convertir la energía que normalmente es de desecho en el momento torsor que gire nuestro resorte. El momento torsor solo podrá ser almacenado si oponemos resistencia al movimiento de la rueda, la hacemos frenar y deformamos el resorte, de este modo llegamos a la conclusión de que cada fase de la transmisión de energía tiene que tener una posición determinada del mecanismo interno. Tanto para la carga como la para descarga del resorte es lógico que debemos dejar una de las dos partes libres para poder conferir u obtener el movimiento relativo. Cuando tengamos que activar el sistema, la parte móvil del eje será la que se engrane en la llanta y transmita su momento torsor hasta los discos de fricción. A partir de ahí, transmitirá al muelle tanto momento como sea capaz de pasar por los discos. Así pues, como necesitamos detener la parte del resorte que no vamos a mover, diseñamos un sistema de transmisión en el que cuando una opción se activa, se mueve longitudinalmente hasta el muelle en donde da o recibe momento torsor mientras mantiene inmóvil la carcasa alternativa, donde se encuentra la otra punta del muelle. Para la posición desactivada tendremos que hacer que el muelle, tanto su parte inferior como la superior, quede quieto y no gire, pues podría acarrear problemas de sobrecarga del sistema en el caso de que exista un cierto desfase previo incontrolado. Además, una conducción en bicicleta es mucho más segura cuanto menor número de objetos desestabilizadores se involucren. En definitiva, es necesario frenar el muelle por seguridad cuando no se está usando. Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 51 Para tales requisitos se ha llegado al siguiente desarrollo: El freno de la parte superior (marcado en azul) incorpora unos tubos que sirven de guía para introducir la parte complementaria del freno del mecanismo de salida. Esto será útil para cambiar de posición alternativamente entre los mecanismos de entrada y de salida. Casi podríamos decir que los tres soportes han sido diseñados con el fin de demostrar que se puede introducir un sistema o un accionamiento en el hueco entre engranajes. 1 Palanca 8 Carcasa rodamiento lineal 15 Eje del disco de fricción 2 Unión 9 Anillo de soporte 16 Rodamientos axiales 3 Anillo empujador 10 Discos de fricción 17 Rodamientos radiales 4 Acoplador de entrada 11 Separador fijo 18 Eje fijo 5 Separador 12 Frenos bloqueadores 19 Dientes de seguridad 6 Soporte empujador 13 Freno de parte superior 7 Rodamiento lineal 14 Eje del Acoplador 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 16 16 17 18 19 17 Fig. 58, Vista explosionada del mecanismo de entrada y lista de componentes Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 52 Se introducen 3 resortes que ejerzan palanca en el plano direccional del freno. Cuando el eje se mueve hacia dentro, los platos de fricción se ponen en contacto y ocurre el movimiento del muelle, mientras que los tres pasadores del freno llevan un movimiento lineal respecto del separador fijo que puede usarse y aprovecharse para introducir una nueva palanca en cada pasador, que haga que los tres resortes se inclinen hacia atrás y liberen ambas partes, quedando así sólo la superior aprisionada. Obtenemos un mecanismo que puede tener tres posiciones relativas diferentes con respecto al plato de fricción solidario al eje del muelle, todas controladas desde la palanca en la entrada: Freno de la parte superior del muelle Freno de las dos partes del muelle Movimiento activador Separ ador Fig. 59 Esquema de funcionamiento del mecanismo de entrada Fig. 60, Estado de reposo (OFF): Los discos de fricción están separados y los frenos se activan para bloquear ambas partes. Fig. 61, Estado de carga (ON): Los frenos se activan para bloquear ambas partes y entra el movimiento a través del contacto de los discos. Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 53 Esto debe ser posible gracias al mecanismo tensor que se encuentre alojado a lo largo del trayecto entre el accionador en la palanca de freno del manillar y el accionador de palanca, que no ha sido diseñado ni calculado por tratarse de un sistema mecánico específico que ya existe. Similar a la palanca de cambios en los platos o en los piñones de la rueda trasera, incorporaría dos posiciones elegibles para el usuario, ON/OFF, con lo que podría elegir activarlo o no hacerlo según la fuerza con la que presione la palanca de freno. Lo posición ON no debe tener un tope para que quede activa, pues nos interesa que se desactive en cuanto el usuario ha dejado de usar el freno. El estado neutro se alcanzará cuando la parte de la transmisión de energía entre en funcionamiento, haciendo que ninguno de estos frenos entre en contacto y dejando el muelle libre en las dos partes. Fig. 62, Estado neutro: Posición intermedia en la que ninguno de los frenos entra en contacto ni los discos rozan Fig. 63 Imagen 3D del sistema de entrada Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 54 Almacenamiento de energía El mecanismo de almacenamiento elegido en esta opción hace que deba tener un receptáculo cilíndrico, lo cual es favorable para el diseño del conjunto, aprovechando las formas circulares tanto de la rueda como de la llanta. Debemos tener en cuenta las dimensiones calculadas en el apartado siguiente (Dimensionamiento del muelle) para obtener unas medidas aproximadas para el modelo presentado: Con el giro de los platos de fricción se consigue que el movimiento rotativo de la rueda llegue hasta el eje del muelle de torsión. Éste no está conectado directamente al eje, sino que se ha introducido un sistema de engranajes planetarios. Puesto que la fuerza entre dientes es constante, se logra aumentar el momento torsor e invertir la dirección de giro. Esto influye directamente en el diámetro del árbol del muelle (diámetro interno), pero como veremos, es beneficioso para nuestro propósito. 20 Tubo interno 25 Corona de engranaje 21 Rodamiento cilíndrico 26 Carcasa inferior del muelle 22 Soporte de engranaje axial 27 Muelle de torsión 23 Engranaje axial 28 Carcasa superior del muelle 24 Engranajes planetarios 11 10 11 9 15 20 21 22 23 24 25 26 27 28 18 17 Fig. 64, Vista explosionada del sistema de almacenamiento y lista de componentes Fig. 65, Imagen lateral del muelle con el sistema de engranajes interiores Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 55 Con la carcasa superior detenida, el movimiento hará que el muelle se expanda libremente hasta que la rueda de la bicicleta se detenga. La carcasa del muelle incorpora un engranaje en la parte posterior para hacer llegar el movimiento del muelle al mecanismo de transmisión de energía, del que se hablará en el apartado de transmisión de energía. Carcasa superior del muelle Carcasa inferior del muelle Tren de engranajes Soporte del engranaje Movimiento activador Movimiento inducido Fig. 66, Representación de movimientos Fig. 67, Visión 3D de la carcasa del muelle seccionada Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 56 Dimensionamiento del muelle Para los muelles de torsión deberemos tener en cuenta la curva de carga y descarga del mismo. Cuanto mayor es el número de espiras, mayor es el momento torsor que puede absorber y devolver el muelle, pero también es mayor la energía que se pierde en el proceso, principalmente debido a histéresis y fricción. La particularidad de este tipo de muelles es que su rigidez no depende del número de vueltas, ya que es constante. Los datos de entrada para el dimensionamiento del muelle serán el momento torsor generado y el número de vueltas que deseamos que gire el resorte. Los muelles de torsión pueden diseñarse a medida según cada necesidad. Las espiras del muelle suelen estar encajadas en una carcasa y tienen un extremo libre para conferirle el movimiento rotativo que provoca un par de fuerzas y esto a su vez un desfase, que dependen de la rigidez del material y de las dimensiones de las láminas. Principalmente, existen dos tipos de muelles de torsión: los convencionales y los pretensados. La diferencia entre ambos es básicamente un aumento de momento torsor en el pretensado, que influye sin embargo muy negativamente sobre su durabilidad acortando su ciclo de vida en algunos casos hasta en 100 veces. Los pretensados también presentan curvas de absorción y liberación de energía entre un 25 y un 50% mayores, además de que presentan una relación Par- Número de giros mucho más estable. En el caso que nos ocupa, hay una gran cantidad de variables posibles que pueden ser modificadas para cumplir con los objetivos de nuestro problema. Debemos ir definiendo más variables para completar los cálculos, y determinar así el material, el número de espiras y su grosor y los diámetros característicos del muelle: Diámetro Exterior Espiras Árbol / Diámetro interior Fig. 68, Características del muelle Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 63 Sin embargo, si nos damos cuenta, hemos obtenido los datos de un muelle que pesa algo más de 5 kg. Variando el material de la lista desplegable conseguimos obtener los datos que se muestran en la siguiente imagen: Con sus gráficas de comportamiento: Fig. 78, Muelle de Titanio Fig. 79 Tensión-Giro Fig. 80 Carga-Giro Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 64 Si ahora usamos Mecca Power Spring, obtenemos la siguiente gráfica de rendimiento del muelle: www.spiral-spring.com Lo cual nos muestra que el par devuelto es de unos 30000 N·mm, 5000N·mm menos que a la entrada. Este dato de pérdidas deberíamos aplicarlo también al muelle de fibra de carbono calculado en el apartado anterior. Ya que no disponemos de esos datos, podremos estimar las pérdidas en torno al 15%. Lo realmente complicado de este apartado es calcular un muelle que no sea demasiado rígido y admita el giro que le impone la rueda en la entrada, ni que sea demasiado blando y rompa o se deforme más vueltas de las deseadas. Se necesitan datos verdaderos de todos los factores para aproximarse más a un resultado verídico. Fig. 81, Representación gráfica del sistema Fig. 82, Carga-Tensión Fig. 83 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 65 Transmisión de energía El sistema de transmisión de energía está compuesto, principalmente, por un acoplador lineal de salida y por un sistema reductor de engranajes planetarios que, con el fin contrario que el sistema de engranajes en la entrada, permite rebajar el momento torsor que llega hasta la rueda (disminuyendo la velocidad y, por tanto, el ángulo girado) e invertir el sentido de giro del movimiento resultante, para dejarlo en el sentido de avance de la rueda. Al presionar el botón para utilizar la energía almacenada, el ciclista está en disposición de arrancar. El mecanismo de transmisión (azul) debe empujar al de recepción hasta la posición neutra, liberando ambas carcasas, pero logrando frenar la parte inferior del muelle para aprovechar el giro de la parte superior (en verde) que queda libre. Al moverse hacia dentro, los frenos de la entrada se alinean y quedan en posición neutra, pero es el freno de la salida el que entra en contacto con la parte inferior para dejar libre la superior. Movimiento Rotativo Movimiento activador lineal Fig. 84b, sección donde van unidos el freno de salida y el freno de ambas carcasas, para accionarse mutuamente Fig. 84a, representación de las partes móviles que hacen posible engranar para dar movimiento y frenar el muelle. Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 66 29 Freno de la parte inferior 34 Rodamientos de aguja 39 Tubo acoplador 30 Soporte pasador fijo 35 Engranaje solidario a carcasa 40 Ejes de engranajes 31 Soporte empujador 36 Engranajes planetarios 41 Soporte fijo solidario 32 Separador 37 Rueda transmisora 33 Tubo de soporte 38 Engranaje de corona 1 2 3 29 30 31 32 33 34 35 36 37 28 38 39 18 16 17 17 7 40 41 Fig. 84d, Vista explosionada del sistema de transmisión de energía y lista de componentes 15 23 24 25 26 27 Fig. 84c, Muestra del freno de salida, que incorpora muescas para quedar bloqueado con el freno en forma de triángulo vacío Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 67 Para la devolución del giro se ha tenido que diseñar otro sistema de engranajes planetarios sustentados por la pieza 32, que está sujeta al eje. Este sistema multiplica la velocidad de giro pero disminuye el par transmitido, haciendo que el ángulo girado sea también más pequeño. Lo que se consigue con esto realmente es que el par generado no haga derrapar a la rueda en la salida. Al igual que el mecanismo de entrada, tiene tres posiciones distintas que hacen que el movimiento relativo sea posible. Fig. 84e, Vista 3D del mecanismo de transmisión de energía. Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 68 Dimensionamiento de engranajes Supondremos todos los engranajes circulares como cilindros cuyos perímetros sean los de sus circunferencias primitivas. Algunos de los cilindros se han diseñado huecos, otros macizos y otros son coronas, por lo que se considerarán como cilindros con espesor para calcular sus masas. Para calcular las respectivas masas: «§L  L  e Tal y como se aprecia, la inercia de los engranajes depende directamente de la masa, y ésta, a su vez, de la densidad del material con el que se fabrican. Para la elección del material tendremos en cuenta las fuerzas a las que se ve sometido un engranaje. Tendremos en cuenta que la acción de las fuerzas en engranajes debemos calcularla según estándares. Podemos dibujar una tangente TT entre las circunferencias primitivas y una línea MM que forme un ángulo de incidencia de 20 ¬ con ella. Al trazar dos circunferencias tangentes a ella, obtenemos que la línea MM es la línea de presión y el ángulo elegido es el ángulo de presión. La potencia que se transmite de un engranaje a otro se realiza mediante la fuerza que imprime un diente sobre el siguiente siguiendo la línea de presión. Supondremos un instante , en el que la velocidad es constante, por lo que la fuerza también lo es: +ZO→ J + OL1 Fig. 85 Fig. 86 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 69 Por norma general, cuando dos engranajes están transmitiendo potencia y tienen suficientes dientes, es posible que más de una pareja esté en contacto. En ese caso la fuerza a transmitir se reparte entre los contactos, sin embargo, para el análisis de los dientes supondremos que toda la carga se concentra en un solo par de dientes y que ésta actúa en el punto más desfavorable: Siendo  J la fuerza tangencial al engranaje, que es una componente de la fuerza ejercida sobre la línea de presión,  4 , por lo que:  4  J cosK De manera análoga se podrá calcular la fuerza radial,  I , que actúa comprimiendo el diente:  I  4 "¨K Ahora podemos ver que cuando se transmite una potencia + con una velocidad angular O, se producen sendas fuerzas  J y  I que, sustituyendo en (1), quedan:  J + OL‡ I + OLtanK A la hora de calcular las tensiones a las que está sometido el diente, lo haremos como si fuese una barra de sección rectangular, por lo que el valor que obtendremos será solamente una aproximación. •  • š ™ Z g T g ‡  La mayor fuerza transmitida tendrá lugar entre los engranajes de carga del mecanismo, tal y como se ha determinado anteriormente. He decidido optar por unos engranajes de módulo  0.5 para todo el sistema por la sencillez que aporta al cálculo. Sabiendo el número de dientes y el diámetro, podremos saber cuánto es el paso circular, œ, del engranaje, lo que nos aportará los datos de altura, anchura y profundidad de cada diente, necesario para el cálculo previo de la T g y la ‡  . Calculamos, pues, el espacio que debe ocupar un diente y un vano, medido sobre la circunferencia primitiva: Ø ‘→œ§Ø ‘§ V/Md"¨"Y Fig. 87 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 70 Por lo tanto, el grosor de cada diente será tomado como un valor cercano a 2§. Además, hay partes normalizadas en los dientes, que dependen de la velocidad de rotación del conjunto y del diámetro de los engranajes y sus relaciones de transmisión. Tomaremos un ángulo de presión de 20 ¬ , ya que es la medida más apropiada para engranajes de nuestras dimensiones y velocidades de rotación. Éste ángulo nos aporta unas medidas que vienen definidas por norma: Adendo 0 . 8    1 . 6    Dedendo   2    Altura total 1 . 8    3 . 6   Ancho de la cara 8    16   El análisis de tensiones ha de hacerse sabiendo que las piezas más solicitadas son los engranajes 1, 2 y 3, donde se transmite la potencia de entrada desde la rueda de la bicicleta hasta el engranaje interior, que mueve el sistema mecánico de almacenamiento de energía. El análisis de tensiones quedará determinado por las fuerzas que calculamos que pueden ser las máximas para el ejemplo del ciclista que frena, estudiado en apartados anteriores. Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 71 Dimensionamiento de engranajes de la base del muelle Son los encargados de transmitir el momento de entrada al muelle. Los datos de los engranajes son: # ) 40 #  5 # ” 50 Con lo que obtenemos una tabla combinada con sus propiedades físicas para saber cuál es el material más favorable. La fuerza en el diente es de 1090 N. Apropiados podrían ser el aluminio y el acero, pero veamos el siguiente apartado. Acero 4340 Aluminio (7075-T6) Alúmina Titanio Cobre aleado Silicio Nylon Kevlar 49 Kevlar 29 E  210.00 70.00 390.00 100.00 135.00 110.00 3.00 120.00 65.00 ›œ  • š  1240.00 500.00 4800.00 910.00 510.00 3200.00 40.00 3400.00 1240.00 Zœ  ©"¨dMM  7.80 2.70 3.90 4.50 8.30 2.30 1.10 1.40 1.40 X# / b 3  œ"f  fS  208.29 72.10 104.14 120.17 221.64 61.42 29.37 37.38 37.38 X#  œ#"bdf  R¨d#df  0.25 1.80 1.90 16.25 2.25 2.35 4.30 85.00 40.00 $ / ˜X  œ#"bdf  fS 0.05 0.13 0.20 1.95 0.50 0.14 0.13 3.18 1.50 $   š  11331.77 4569.26 43864.91 8316.06 4660.65 29243.27 365.54 31070.98 11331.77 + ™   10.40 4.19 40.24 7.63 4.28 26.83 0.34 28.51 10.40 1 2 3 Fig. 89 Fig. 90 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 72 Diseño de engranajes de transmisión del movimiento Debemos tener en cuenta que estos dientes son los que menos tensión sufrirán ya que son multiplicadores de velocidad, pero divisores de par. Su función es aportar al eje de la rueda un momento torsor que sea aprovechable y que la rueda no resbale ni patine cuando entre en funcionamiento, aportando un valor más próximo al límite de rozamiento entre rueda y suelo. Quizás incluso podríamos aumentar más la relación de transmisión con el fin de devolver un momento torsor más suave, pero eso se verá en el apartado dedicado a ello. # • 60 # Ž 15 # ¯ 30 Podríamos escoger fabricar en aluminio ambos trenes de engranajes, ya que cumple las especificaciones de seguridad, es ligero y económico. Acero 4340 Aluminio (7075-T6) Alúmina Titanio Cobre aleado Silicio Nylon Kevlar 49 Kevlar 29 E  210.00 70.00 390.00 100.00 135.00 110.00 3.00 120.00 65.00 ›œ  • š  1240.00 500.00 4800.00 910.00 510.00 3200.00 40.00 3400.00 1240.00 Zœ  ©"¨dMM  7.80 2.70 3.90 4.50 8.30 2.30 1.10 1.40 1.40 X# / b 3  œ"f  fS  208.29 72.10 104.14 120.17 221.64 61.42 29.37 37.38 37.38 X#  œ#"bdf  R¨d#df  0.25 1.80 1.90 16.25 2.25 2.35 4.30 85.00 40.00 $ / ˜X  œ#"bdf  fS 0.54 1.34 2.04 20.15 5.15 1.49 1.30 32.79 15.43 $   š  11331.77 4569.26 43864.91 8316.06 4660.65 29243.27 365.54 31070.98 11331.77 + ™   19.43 7.83 75.20 14.26 7.99 50.13 0.63 53.26 19.43 4 5 6 Fig. 91 Fig. 92 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 79 En la industria automovilística se ha tomado conciencia, en la última década mayormente, del impacto medioambiental y de las alternativas energéticas para el futuro. Eso lleva a planificar una estrategia, la cual ha sido abandonar los proyectos de desarrollo de motores de explosión, y una profundización en las tecnologías que permiten el uso de motores eléctricos. Uno de los inconvenientes es la batería: a lo largo de un período no muy largo de tiempo, el número de cargas sí puede ser elevado, lo que contribuye a su desgaste y a su deterioro. En poco tiempo, las baterías terminan quedando inservibles y deben ser recicladas o desechadas. Este proceso repetido millones de veces llega a generar un nivel de contaminación que, a largo plazo, puede resultar insanable. Algo que no puede ocurrir con un sencillo mecanismo reciclable. El progreso es un proceso lento, que requiere tiempo y paciencia, y que no es divisable hasta que ya se ha obtenido. De hecho, es necesario un cambio en la sociedad para que se produzca el deseado progreso científico. Si se hubiese hecho este proceso de investigación y desarrollo hace 40 años, cuando el boom petrolífero estalló y ¾ de la población mundial deseaba tener un automóvil para ir al trabajo, quizás hoy no estaríamos lamentándonos sobre la capa de ozono, la contaminación atmosférica o sobre la escasez de recursos en la población mundial. Legislación En España, legislación está resumida en el Real Decreto 2406/1985, conjuntado con la Directiva 2002/24/CE para homologaciones, y el Reglamento General de Vehículos , Real Decreto 2822/1998, donde se especifican los detalles de construcción y montaje de bicicletas, así como la normativa de consideraciones en los vehículos y sus requerimientos mínimos de licencia de uso. En estos documentos oficiales, se consideran también bicicletas (con pedaleo asistido) las equipadas con un motor eléctrico auxiliar de potencia nominal continua máxima de 0,25 kW, cuya potencia disminuya progresivamente y que finalmente se interrumpa cuando la velocidad del vehículo alcance los 25 km/h, o antes si el ciclista deja de pedalear. A todos los efectos, no requieren homologación, ni seguro, ni portar casco en vías urbanas. La Comisión Europea está revisando la Directiva 2002/24/CE. En ese marco, la Asociación de Minoristas de dos ruedas de Europa, (ETRA), ha presentado una propuesta que propone aumentar la potencia del motor de 0,25 kW a 0,50 kW. El límite actual resulta insuficiente, por ejemplo, para los ciclos eléctricos utilizados en las zonas con desnivel, por las personas obesas, los ciclos de tres ruedas, bicicletas de carga, etc. El aumento propuesto servirá para asegurar que los ciclos actúen con el nivel requerido en todas las circunstancias, y para que el ciclista disfrute de una seguridad y confort óptimos. Llama la atención que en países como EE.UU., la legislación de las especificaciones técnicas de las bicicletas eléctricas sea mucho menos restrictiva que aquí. Allí, por ejemplo, dejan de considerarse bicicletas cuando superan la potencia de 0,75 kW o los 45 km/h. Este hecho tiene la sencilla explicación de que cuando se comenzó a fabricar bicicletas eléctricas, los fabricantes tomaron medidas e hicieron ensayos y prototipos sin una normativa existente, y posteriormente fue creada la ley. Para no perjudicar a la industria y sumirla en procesos adaptativos de larga duración, adaptaron la nueva ley a los modelos existentes, con el consiguiente resultado: normativa y Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 80 disponibilidad de modelos variables según el Estado por el que se circule o en el que se compre el aparato. Fabricantes de bicicletas eléctricas Los grandes beneficiados. Al no suponer un aumento de categoría de vehículo, se pueden conducir sin licencia de ningún tipo, lo que aumenta su mercado. Los fabricantes están en auge últimamente, y además la demanda de bicicletas eléctricas aumenta, así que se están viendo multitud de avances tecnológicos en este campo, motivados e inspirados también por el ámbito deportivo de competición en distintas disciplinas. Además, se prevén crecimientos en el sector de los ciclos eléctricos de más del 2000 % en la próxima década. Consideración Consideraremos pues, los siguientes modelos como bicicletas eléctricas y no como ciclomotores. Aunque ciertas leyes en Estados Unidos sí que les dan un estatus diferente, en España el código de circulación establece que NO es vehículo de motor aquél que incorpora uno más pequeño que 50 cm 3 (para motores de combustión interna) y que por construcción no desarrollan velocidades superiores a los 45 km/h. Fig. 97, Venta de bicicletas en el mundo Fig. 98 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 81 Modelos Copenhagen Wheel Este proyecto, desarrollado por científicos del MIT (Massachusetts Institute of Technology), incorpora sensores de polución, velocidad, distancia, GPS y es actualizable mediante un iPhone, para añadirle funcionalidades en el futuro. Además, almacena energía en las frenadas para devolverlo cuando se detectan pedaladas. Incluye un emisor-receptor WiFi, que permite comunicarse con la bicicleta a través del móvil o compartir online todos los datos obtenidos. Componentes internos en vista explosionada El peso de la Copenhagen Wheel es de unos 15 kg. (Sólo la rueda), y su precio (todavía no está a la venta), oscilará entre 450 € y 800 €. Fig. 99 Fig. 100 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 82 Wisper 905sel Este fabricante chino de bicicletas eléctricas. Se ajusta a la norma europea para alcanzar a un rango de población mayor. De entre la numerosa familia de modelos de bicicleta que tienen, tomamos una muestra, con sus especificaciones. Motor 250w Hi torque Japanese Dapu rear wheel motor. 2.200 €. • Batería Polímero de litio 36V 15.5A • Modos Asistente de aceleración, con botón de apagado y encendido en la barra de control. • Controles: Barra de control con 7 modos de control de potencia • Acelerador: Asistente de aceleración hasta 25 km/h. • Radio de acción Hasta 65 Km. • Peso con todos los accesorios 25kg • Incorpora luces de señalización alimentadas por la batería Fig. 101 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 83 Electricbike Este proveedor de bicicletas es pionero en introducir sensores de par de torsión. El efecto que se consigue es poder circular en bicicleta con la cantidad justa de ayuda, para pedalear siempre con la misma fuerza. Un sensor de par de torsión es un tipo de acelerador que determina la cantidad fuerza que debe proporcionar el motor, basándose en la fuerza del ciclista que está pedaleando. Esto es diferente de un sensor de cadencia, que mide simplemente la rapidez con la que se está pedaleando. Un sensor de par puede ayudar a sentirse como un ser biónico sobre dos ruedas. Velocidad con pedaleo: 65 km/h Velocidad sin pedaleo: 25 km/h Peso: 20 kg. Precio: 7.000 $ La fiabilidad es un factor muy importante al considerar la validez de una de estas máquinas. La naturaleza de una bicicleta eléctrica rápida es ser muy poco fiables (leer artículo sobre el alto costo de la velocidad, lo avisan los propios fabricantes). Cuando un usuario se decide a comprar una bicicleta eléctrica, debe estimar la fiabilidad de la moto basándose en las valoraciones del producto y en la viabilidad de la empresa y su reputación. Fig. 102 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 84 Drymer v0.5 Drymer ha elaborado un prototipo de bicicleta eléctrica de tres ruedas y eje delantero basculante muy versátil, cómodo y estable. Es muy recomendable para gente mayor que pueda correr el riesgo de caerse mientras van en bici. Además, el carenado es perfecto para días lluviosos. Cuenta con un motor capaz de producir 250 vatios, que alcanzan una velocidad máxima de 25 km/h. Su precio de venta es de 7.400 €. El Drymer v0.5, con y sin carenado Fig. 103 Fig. 104 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 85 Optibike 1100R Optibike es un fabricante norteamericano de bicicletas eléctricas que ha sido calificado como “El Ferrari de las bicis eléctricas” por el periódico The New York Times. El precio base es 10.000 $, y se van añadiendo extras al pedido personalizado. Potencia del motor 1100w con Batería de 48v de ion de Litio Transmisión: Caja de cambios con 14 marchas y cambio secuencial Velocidad máxima sin pedalear 50 km/h Velocidad máxima pedaleando 60 km/h Alcance (modo eco) 136 km. Alcance (modo rápido): 70 km. Peso 33kg (27 kg sin batería) Fig. 105 Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 86 Beneficios posibles Tal y como se quiere demostrar, el mayor beneficio obtenido de este mecanismo es la satisfacción de saber que al frenar no estamos disipando nuestra energía en el aire. La energía es un bien valioso, así que en lugar de desperdiciarla constantemente, podemos almacenar cierta parte y usarla posteriormente si es necesario. El beneficio parece claro. Todo lo que venga desde ese lado será bienvenido, ya que de momento en las frenadas sólo perdemos energía. Salud. Esfuerzos cardíacos. Los beneficios de montar en bicicleta de forma regular se traducen en una reducción del riesgo de infarto en un 50%. Con el ejercicio del pedaleo el ritmo cardiaco máximo aumenta y la presión arterial disminuye, se reduce el nivel de colesterol en sangre y los vasos sanguíneos se conservan flexibles y saludables. Sin embargo, no es saludable todo el esfuerzo. Sus beneficios se hacen mayores cuanto más prolongado es el ejercicio físico, y no cuanto más extremo o violento sea. Un esfuerzo excesivo o “sobreesfuerzo” puede acarrear un fallo cardíaco instantáneo, como ha sido el caso de algunos futbolistas u otros deportistas de élite. Si una persona que no está preparada físicamente debe ir en bicicleta durante un período prolongado de tiempo, su nivel de exposición a frenadas fuertes termina acumulando muchas situaciones en las que la energía podría ser aprovechada en ayudar al ciclista a recuperar su marcha. No sólo eso, además podríamos estar evitando esfuerzos en el usuario de la misma manera que lo hace una bicicleta eléctrica, por los mismos motivos y con un coste mucho más económico. Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 87 Posibilidades de comercialización Se ha demostrado en los primeros párrafos de este documento que hay gente con conciencia de mejorar los medios de transporte de una manera ecológica y que resulte beneficiosa en general. Es normal que la gente quiera algo que mejore sus vidas y repercuta en su futuro de manera positiva. Todas las ideas que han cambiado el mundo han tenido un comienzo modesto. Es cierto que las herramientas de las que disponemos hoy en día son mucho mejores, las técnicas son más perfectas y cada vez parece que quedan menos cosas por inventar, pero cada día hay alguien que piensa en algo útil en lo que nadie había pensado nunca antes. Internet está siendo el gran nexo de unión para inventores anónimos y científicos urbanos Para tener unas directrices claras sobre las posibilidades de comercialización, lo primero debería ser necesario obtener una respuesta fiable de una encuesta oficial o algo similar, que clarifique cuáles serían las posibilidades reales, dejando al usuario probar el producto. Implantarlo sería complicado, pues a la gente no le interesa gastar mucho dinero. Si es poco, sí: 15 céntimos en el autobús no parece demasiado caro si viniesen los autobuses un poco más regularmente, o con más derechos (montar/desmontar del autobús, p. ej.), pero no creo que mucha gente estuviese dispuesta a gastarse un dinero importante en un artilugio “para mejorar su experiencia de ir en bicicleta”. La mayoría prefieren frenar con antelación, arrancar despacio y llegar a los sitios tranquilamente. Se supone que este tipo de mecanismos pueda tener éxito en países con tradición ciclista como en países de Centroeuropa, Asia y algunos de América del Sur. Sin embargo, depende del enfoque se le quiera dar, podríamos tener incluso una visión más deportiva, basada en la eficiencia de las frenadas fuertes, que atraiga a otro tipo de público más industrializado y consumidor. Para obtener un coste total del mecanizado, con hojas de procesos y presupuesto deberíamos haber pasado del campo teórico al práctico, haber tomado datos y medidas para dimensionar y elegir el material de cada componente. El precio del peso del material en bruto es una guía inútil que puede hacer que se confunda el usuario al elegir el material más barato de comprar en bruto, pero que sea el más difícil de mecanizar, elevando el coste del proceso de fabricación. Quizás una buena posibilidad sería inclinarse por el desarrollo de un modelo de lujo, que funcione bien, podría ser a medida, y además, se le podría introducir un sistema de embragues en la entrada que permitiesen guardar energía con distintas relaciones de transmisión, para diferentes presiones en la palanca de freno. Los modelos 3D para SolidWorks representan las ideas principales. Tanto lo expuesto en este proyecto de investigación, como lo representado en realidad virtual no se ajustan a la realidad, en el sentido de que las medidas son aproximadas a la realidad con casos personales extrapolados y con situaciones puestas a prueba, como las frenadas fuertes y suaves, las tomas de datos, o las observaciones sobre la seguridad vial y sus posibles temibles consecuencias. Proyecto Fin de Carrera DISEÑO DE UN MECANISMO RECUPERADOR DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LA BICICLETA Y CÁLCULO APROXIMADO DE SUS PARÁMETROS 88 Barandilla para el carril bici Ya que estamos hablando sobre la seguridad e ir en bicicleta, voy a introducir muy brevemente una idea muy sencilla que creo que es más necesaria que un sistema de aceleración. Ya se ha hablado de la tortuosidad y peligrosidad del carril bici. Mis principales motivos de queja vienen por la dualidad peatón-vehículo a la que induce a pensar un ciclista que circula a velocidad de viaje (no de paseo). Los peatones miran mal a quien lo hace y los coches intentan esquivarse unos a otros para adelantar al ciclista, cuando es éste el que va más rápido que ellos. . Otras veces el riesgo que suponen otros ciclistas con malas costumbres que pasan con el semáforo en rojo y sin mirar, y ponen en peligro a los coches que vienen y a la gente que tiene alrededor, ya que un conductor asustado puede realizar una mala frenada y perder el control del vehículo. En mi búsqueda de la seguridad de todos y poniendo mi experiencia personal al servicio de la ingeniería, he diseñado un sencillo poste o barandilla, que sirva de sustento a los ciclistas detenidos en un semáforo. Esto tiene como fin que, cuando el ciclista se detiene a esperar, debe apoyarse en algún sitio, y muchas de las veces es poniendo el pie en el suelo o usando un lugar inestable y peligroso. Esto se solucionaría con la introducción de barreras en ciertos tramos, delimitando mejor el carril-bici. Fig. 106, Visualización del posible uso de la barandilla Añadido con Photoshop y SolidWorks