Adaptación del IMechE Railway Challenge. Diseño de TPEUS

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Grado Ingeniería Aeroespacial Adaptación del IMechE Railway Challenge. Diseño de TPEUS. Autor: José María Ramírez Ruiz Tutora: Rosario Chamorro Moreno Dpto. Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 Proyecto Fin de Grado Ingeniería Aeroespacial Adaptación del IMechE Railway Challenge. Diseño de TPEUS. Autor: José María Ramírez Ruiz Tutora: Rosario Chamorro Moreno Profesora Contratada Doctora Dpto. de Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 Proyecto Fin de Grado: Adaptación del IMechE Railway Challenge. Diseño de TPEUS. Autor: José María Ramírez Ruiz Tutora: Rosario Chamorro Moreno El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal Agradecimientos Los agradecimientos se ponen al principio, pero yo los estoy escribiendo al final y la verdad es que tengo un torbellino de sentimientos mientras lo hago que me está retrasando poner el punto y final a esta etapa. En este camino han pasado muchas personas en mi vida, algunas han estado menos tiempo y otras más, pero lo importante es que todas me han ayudado a seguir en el camino. En primer lugar, gracias a mi familia por haberme educado desde pequeño y haberme apoyado en los momentos de flaqueza. En segundo, gracias al Piso, a Diego, a Carlos y a Luis. Seguramente fueran los cuatro años más felices de mi vida los que pude compartir con vosotros. Aún estando separados, os sigo queriendo tela. No puedo pasar por los agradecimientos tampoco sin mencionar a Lora con quien he compartido experiencias y batallitas tanto en la ETSI como pateando Europa. Cris, gracias por estos años, por haber creído en mí cuando ni yo mismo lo hacía, por haberme sujetado en los momentos de bajón y después de todo seguir ahí. Gracias. Y, por último, gracias a mi tutora Dª Rosario Chamorro por presentarme este proyecto y permitirme la oportunidad de llevarlo a cabo. Pepe Ramírez Sevilla, 2020 Resumen En la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla los estudiantes son formados desde un punto de vista técnico y de laboratorio excelente. Actividades extracurriculares como ARUS, EUROAVIA y US Racing han permitido a los alumnos acercarse al sector industrial al que se unirán una vez finalicen sus estudios. En pos de seguir una línea educadora completa se propone el estudio de la competición de IMechE Railway Challenge para que se pueda adaptar a las condiciones de la ETSI, de forma que se desarrolle una alternativa más a las anteriores mencionadas. Por un lado, se realiza una adaptación de la normativa utilizada por Institution of Mechanical Engineers en su concurso. Se estudian las necesidades de la vía que hay en la cubierta superior de la ETSI, así como los medios disponibles para llevar a cabo la celebración de un concurso. Por otro, se presenta el desarrollo de un primer prototipo de Tren a Pequeña Escala de la Universidad de Sevilla (TPEUS). En primer lugar, se presentan las partes del vehículo en el capítulo 4 para que en el siguiente pueda seguirse la línea expositiva en el desarrollo del diseño técnico del TPEUS. Una vez que se se tienen los diseños, se prosigue tanto con el método de fabricación como con los costes en los que se incurriría para saltar del diseño a la realidad. Se concluye con ciertas recomendaciones a tener en cuenta en la celebración del ETSI Railway Challenge además de algunas propuestas de mejora para los equipos participantes. Índice Agradecimientos i Resumen ii Índice iii Índice de Tablas vi Índice de Figuras vii 1 Introducción 1 1.1 IMechE Railway Challenge 1 1.2 El estado del arte de los trenes a escala 3 1.3 La historia de las impresoras 3D 5 2 Objetivos 7 2.1 Adaptación del IMechE Railway Challenge 7 2.2 Diseño del prototipo base 9 3 ETSI Railway Challenge 10 3.1 Normativa general 10 3.1.1 Objetivos del Railway Challenge 10 3.1.2 Requisitos mínimos del diseño 11 3.1.3 Duración del ETSI Railway Challenge 11 3.1.4 Medios e instalaciones para la fabricación de los vehículos 11 3.1.5 Cobertura frente accidentes durante la competición 11 3.1.6 Resolución de dudas 12 3.1.7 Eligibilidad de los participantes 12 3.1.8 Derechos de imagen 12 3.1.9 Derecho de descalificación 12 3.1.10 Código de conducta 13 3.2 Método de puntuación de requisitos técnicos 13 3.2.1 Prueba de velocidad 13 3.2.2 Prueba de aceleración 13 3.2.3 Prueba de frenado 14 3.2.4 Control de vibraciones 14 3.2.5 Control del vehículo 15 3.2.6 Fiabilidad y autonomía global 15 3.3 Método de puntuación sobre los procesos de fabricación 16 3.3.1 Intercambiabilidad de piezas 16 3.3.2 Manufacturación 16 3.3.3 Costes de fabricación 17 3.4 Penalizaciones 17 4 Partes del prototipo 18 4.1 Partes de un tren 18 4.1.1 La locomotora 18 4.1.2 Los bogies 20 4.1.3 Los vagones 21 2 Dentro de los múltiples objetivos que tienen, destacan sus proyectos donde no solo involucran a los miembros titulados sino a aquellos estudiantes que han tenido la inquietud de dar un paso al frente y unirse a la asociación. Todos sus programas se rigen por la propulgación del conocido como STEM (Science Technology Engineering and Maths). De esta manera, nacen las ideas para hacer que los alumnos de Ingeniería tengan la oportunidad de desempeñar un papel en la ingeniería fuera de las aulas. A raíz de dicha motivación, nació el IMechE Railway Challenge en 2010. Este reto presenta una oportunidad única en la que estudiantes organizados en equipos de hasta 15 miembros (siempre tutelados por un profesor de su Universidad) se enfrentarán al reto de diseñar, manufacturar y testear su tren a pequeña escala. Para realizarlo no solo tienen a su tutor como guía, sino que IMechE propone unas normas y un itinerario de pruebas en las que los diferentes diseños serán evaluados. Es así como tanto los jueces pueden evaluar el desempeño de los trenes y los participantes son consciente de la importancia de los diferentes sistemas que conforman su vehículo al completo. Este proceso tiene un periodo cíclico de un año de duración. Las inscripciones se abren al inicio del año académico en octubre y se concluye con la celebración del evento en verano, normalmente a finales de junio o lo largo de julio, en Stapleford (Inglaterra). Durante la semana que duran las pruebas, los equipos conviven, superan los potenciales problemas que puedan aparecen y por encima de todo, aprenden divirtiéndose mientras aplican los conocimientos que les ha proporcionado su universidad. No debemos desdeñar la relevancia que supone que un evento de estas magnitudes reúna a cientos de personas del sector de la industria del ferrocarril durante esa semana. Como se puede ver a continuación, los modelos que se presentan son de grandes dimensiones, complejos y costosos: Figura 1. Ganadores IMechE Railway Challenge del año 2.018 (Ricardo Rail) [1] Es por ello, que es aquí donde entran los patrocionadores, con los correspondientes acuerdos entre las Universidades y el sector privado. El caldo de cultivo que se crea en este ambiente es el ideal para que las empresas puedan encontrar potenciales trabajadores para sus proyectos, y es por ello que deciden invertir en pos de búsqueda de capital humano para el futuro a corto-medio plazo. Además, el eje de colaboración que se conforma entre el sector público y el sector privado también tiene su relavancia puesto que en el mundo que vivimos actualmente gran parte de los proyectos privados del sector I+D+I, íntimamente relacionado con el desarrollo de la tecnología usada por los ingenieros, son cofinanciados por ayudas públicas. Este tipo de colaboraciones tienen amplitud de formatos según los diferentes acuerdos que se lleguen a firmar. A la hora de manufacturar los modelos, los patrocionadores pueden aportar desde soporte económico, instalaciones, acceso a maquinaria… hasta propia materia prima o componentes. IMechE al ser una asociación cuyo objetivo no es obtener beneficios para después separar dividendos y al ser la organizadora del evento se encarga de obtener patrocinadores comunes que se encasillan principalmente en las siguientes categorías:  Soporte financiero para la organización del evento.  Webinars a cargo de especialistas de alguna materia en concreto. En contraposición, además de los potenciales profesionales aún en formación que acudirán al evento. IMechE proporciona ciertos beneficios a las empresas que deciden patrocionar el evento:  Acuerdos con los equipos y Universidades a nivel internacional.  Presentaciones de su empresa y productos tanto en el evento de verano.  Impacto en redes sociales con más de medio millón de seguidores.  Invitaciones a la participación a actos y conferencias exclusivos para los equipos.  Participación como parte de jurado durante el apartado del Business Challenge.  Posibilidades de acuerdos externos entre los propios patrocinadores. De esta manera, IMechE aun siendo una Organización No Gubernamental (ONG) ha conseguido que el Raiway Challenge se haya podido celebrar durante 9 años de forma consecutiva. Este 2020, por desgracia debido al coronavirus, la celebración se ha quedado reducida a varias categorías que se pudieron evaluar de manera telemática como son: Diseño, Innovación, Propuesta de Negocio y Póster Técnico. IMechE ha considerado dar los galardones correspondientes a estas categorías, pero ha establecido que el ganador de la edición de 2020 quedara desierto. A pesar de la situación, ya están preparando la normativa para 2021 y en breves, más concretamente el 1 de octubre, se abren los plazos para la inscripción de la nueva edición. 1.2 El estado del arte de los trenes a escala La fabricación de trenes a escala, también conocida como modelismo, es el arte de la construcción de modelos de trenes a menor tamaño que sus originales. Estos tamaños se rigen dentro de unos estándares que se rigen en Europa por la Normas Europeas del Modelismo (NEM) escritas por la Unión europea de modelistas ferroviarios y amigos del Ferrocarril (MOROP, del alemán MOdellbahn EuROPa) y en EEUU por la National Model Railroad Association (NMRA). Teniendo en cuenta que la asociación europea tiene 66 años de historia y la estadounidense 84, en todo este tiempo se han llegado a desarrollar hasta 60 escalas diferentes de trenes. Estas organizaciones intentan tener estrechas colaboraciones entre ambos lados del Atlántico de forma que piezas diseñadas en cualquier continente puedan tener aplicabilidad en todo el mundo. Respecto a las escalas, se debe partir de la base de que el ancho tradicional que se usa son 1435mm (8ft 8.5 pulgadas), de forma que si hablamos de cualquier escala, se hace la conversion a partir de este ancho de vía. A día de hoy, podemos encontrar una variedad de escalas impresionante. Por un lado, tenemos que el modelismo a pequeña escala llega a la escala 1:480 con trenes de 3mm de acho de vía también conocido como escala T. Este tipo de trenes son alimentados a través de la propia vía por la que circulan. Por el lado opuesto, temenos el modelismo a gran escala 1:4. Estamos hablando de modelos muy grandes, con un ancho de vía de 10 pulgadas (e incluso superior) que tienen normalmente un uso commercial, ya puedan ser parques de atracciones o rutas por pueblos en el mismo tren. A pesar de que existen estos extremos, en el término medio está la virtud, es decir, ninguna de estas escalas son las más usadas, si no que lo es la escala H1 o 1:87, con un ancho de vía habitual 165 mm. Nótese que siempre se habla de escala y no de ancho de vía ya que aunque el ancho tradicional es 1435mm, no es el único y las normas se rigen estrictamente por el factor de escala. A continuación les dejo un pequeño cuadro resumen con las escalas más communes y comentarios sobre las mismas: 4 Nombre Escala Ancho de vía (mm) Comentarios II 1:22.5 64 Escala que proviene de los orígenes del modelismo de trenes a principios del S. XX ligeramente modificada del 22.6 al 22.5. I 1:32 45 Nace de forma similar a la anterior. Se caracteriza por el uso con trenes de vía estrecha y por su propulsión con motor de vapor. 0 1:48 32 Se encuentra en la frontera entre el modelismo ferroviario y el modelismo de juguetes. H1 1:64 22.5 A pesar de ser una escala más pequeña, se sitúa igualmente en la frontera con 0 pues suele corresponderse a maquetas de trenes de vía estrecha. H0 1:87 16.5 Las más popular del mundo. La mayor cantidad de fabricantes se situán esta escala o en cercanas. TT 1:120 12 Cada vez más en desuso, aún mantiene su popularidad en los países de la antigua URSS N 1:160 9 Debido a la gran popularidad de los trenes a escala en Japón y que este es la preferida de los nipones, se encuentra en segundo lugar como las más vendida detrás de la H1. Tabla 1. Tipos de escalas más comunes del modelismo ferroviario [2] Como cabe esperar, dependiendo del tipo de tren y de su escala, es decir, de su peso, podemos encontrar que tienen motores con tecnologías diferentes. Los de modelos de pequeña escala, puesto que su peso es infinitamente menor usan montajes con motores de corriente continua (CC) de entre 3 y 24V. Los trenes a escalas 1:12, 1:8 y 1:4 al estar capacitados para llevar varias decenas de personas y al tener un peso en vacío muy superior, llegan a utilizar motores de diesel. Algunos de los trenes a escala más grandes que podemos encontrar en España se encuentran en Ventas de Zafarraya (Granada) y en Manzanares (Madrid), ambos superando la tonelada de peso en vacío y con una capacidad para 30 y 50 personas, respectivamente. Lo que nos da una idea de que los motores deben ser capaces de propulsar varias toneladas. Figura 2. Modelismo a gran escala en Ventas de Zafarraya (Granada) [3] 1.3 La historia de las impresoras 3D La industria del mecanizado de piezas cambia y se desarrolla con el avance de las tecnologías. Poco a poco, máquinas que inicialmente no se hubieran pensado aplicables a nivel industrial se perfeccionan, se abren paso y van tomando su espacio en el mundo de la mecanización. En ocasiones por el tipo de piezas, en ocasiones por abaratar costes, la tecnología de impresión 3D ha entrado de lleno como una alternativa al mecanizado clásico. Posicionándose fuertemente incluso a nivel personal o semiprofesional a día de hoy es una opción muy competitiva en el desarrollo, mecanizado y fabricación de productos. Es por ello que la opción principal para la fabricación del TPEUS se base en estos métodos. Es innegable el boom que ha habido con estas máquinas, se escucha hablar de ella con asiduidad. Antes de exponerse su situación actual y entender el motivo de este boom, es necesario que conozcamos un poco de su historia y que definamos ciertos conceptos relacionados con la impresión 3D. En primer lugar, es necesario ponerle fecha de nacimiento a esta tecnología. Como ha ocurrido en la historia con tantos otros inventos, hablar de un solo inventor es un poco injusto. Si bien cuando se pregunta por quién inventó la bombilla o el teléfono, Thomas Alva Edison y Alexander Graham Bell son los primeros nombres que se vienen a la cabeza, no son más que los que los perfeccionaron y/o patentaron. A día de hoy, aún nombres como los de Joseph Sawn o Antonio Meucci siguen a la sombra de los primeros. Es por ello que se hablará de varias personas que aportaron ideas y diferentes diseños hasta llegar a la primera patente. Oficialmente, Charles W. Hull (Clifton, Colorado, EEUU, 19 de mayo de 1.939, -) es el inventor de la impresión 3D. En el año 1983 conseguía imprimir la primera pieza en 3D mediante el uso de la estereolitografía: “Tecnología láser que emplea una resina líquida fotosensible a la franja ultravioleta (UV) con el fin de que se endurezca y capa a capa imprimir la pieza deseada”. Antes que él, el francés Jean Claude André y el japonés Hideo Kodama habían hecho pruebas y desarrollado sus propios modelos, de hecho, Hideo Kodama intentó exactamente el mismo método que Charles W. Hull terminó patentando. Finalmente, ambos por falta de financiación dejaron inconclusos sus proyectos. [4] Charles W. Hull no se quedó solo en el desarrollo inicial de la impresión 3D, también patentó el formato digital con el que trabajan hasta día de hoy todas las impresoras, el STL (del inglés STereoLithography). Gracias a estas patentes Charles, fundó 3D Systems, una de las compañías a nivel mundial más importantes en cuanto a software de Diseño Asistido por Ordenador (CAD, del inglés Computer Assisted Design) se refiere. Para lo que este proyecto nos trae, debemos destacar SolidWorks, el equivalente americano del CATIA de Dassault Systemes (de origen francés). [5] A pesar de que el primer método que se desarrolló para la impresión 3D fue la estereolografía, otros métodos se sumaron este: el modelado por deposición fundida (FMD, del inglés Fused Deposition Modeling) y el sinterizado selectivo por láser (SLS, del inglés selective laser sintering). En la práctica, el FMD ha supuesto una revolución enorme en el mercado. Si estudiamos el mercado de particulares y pequeños vendedores, a pesar de que la tecnología FMD es la que proporciona los resultados peores calidades, también accede al mercado con un mayor arco de precios y utilidades que hacen que las impresoras 3D se han vuelto tan populares. Dentro de estos miles de posibilidades, está una de las más innovadoras e interesantes a medio plazo resulta ser la impresión de órganos a partir de células madre. Al fin y al cabo, las células madre se pueden desarrollar y depositar siguiendo los patrones biológicos que se requieran siempre y cuando estén en unas condiciones adecuadas. A partir de esa idea nacen las biotintas donde se mantienen en una solución que permite la vida de la células madres mientras que microagujas las recogen para depositar siguiendo los patrones que se le hayan implementado a través del STL [6]. 6 Figura 3. Bioimpresiones de órganos [6] Pero está siendo durante la pandemia del Covid-19 cuando se ha visto la utilidad y la cercanía que ha llegado a tener esta tecnología. Grupos organizados bajo la iniciativa “Coronavirus Makers” e incluso Universidades Públicas como la Universidad de Sevilla, a través de su equipo de motociclismo US Racing, o la Universidad de Burgos (UBU) han utilizado sus impresoras de uso particular o semi-profesional para imprimir miles de pantallas protectoras, piezas para los respiradores o mascarillas para combatir el desabastecimiento que ha habido. Esta situación se ha debido a que si se hace una búsqueda rápida en cualquier plataforma se pueden encontrar impresoras para el uso particular por unos 100 euros, lo cual permite que un amplio número de personas puedan acceder a ellas. Es más, sin alejarse en exceso de ese rango de precios, está la ELEGOO Mars 3D básica, como el modelo más vendido por Amazon entorno a 200 euros (precio variable según posibles ofertas), la cual consta de una resolución de 0.047mm en el eje Y. Estos precios de máquina, unidos a los 25€/kg de PLA han hecho que el mercado se haya abierto y se haya vuelto competitivo a pequeña escala. Este tipo de competitividad no acaba aquí. Guillermo Martínez saltó a estar en todos los medios de comunicación durante el año 2017 por su iniciativa de imprimir prótesis de bajo coste para enviarlas a África. Los precios que daba para la fabricación de cada impresión no superaban los 35 euros, mientras que una prótesis de brazo completo actual supone varios miles de euros. Es evidente que las calidades y funcionalidades de ambos modelos no iban a ser iguales, pero se habla de que con una inversión inicial de un par de cientos de euros y con 35 euros por unidad, se pueden cubrir las necesidades básicas de muchas personas. En conclusión, los precios y oportunidades que ofrecen las impresoras 3D de deposición de resina son prácticamente infinitas, de ahí el boom que ha ocurrido. [7] Por el contrario, si se buscan impresoras 3D de tecnología SLS, a pesar de tener unas precisiones mejores, volúmenes de trabajo y velocidad de impresión, los precios también se disparan. Si se miran, por ejemplo, la Fuse 1 de Formlabs o la KIT de Sintratec, dos de los modelos más conocidos y vendidos entre las impresoras SLS, salta a la vista que el mercado está en un rango muy superior, entre 5.000 y 10.000 euros. Es decir, esta tecnología sigue estando limitada al mercado de impresión profesional. [8] Finalmente, en el término intermedio tenemos la tecnología primigenia SLA. Poco a poco, se abren paso en el mercado del comprador particular. Con rangos de precios situados entre 200 y 500 euros, permiten alcanzar mejores rangos de calidad que las FMD. ¿Por qué si tiene precios similares y mejores calidades aún no han desbancado a las FMD? Pues la respuesta es bien sencilla y la encontramos en lo que era la definición de estereolitografía: la resina se trata en estado líquido en vez de en rollos sólidos fáciles de transportar, comprar, instalar y manipular. Además, las piezas deben seguir un preproceso una vez se han impreso para que mantengan las calidades una vez impresas. Es por ello, que la tecnología SLA está llegando poco a poco al mercado, pero hasta la fecha, solo los experimentados se atreven con ellas. 2 OBJETIVOS l proyecto nace en 2 019 de la idea de poder reproducir el IMechE Railway Challenge en las vías que hay en la cubierta de la ETSI. El Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación tiene una impresora 3D modelo BQ Witbox 2 que puede utilizarse para la impresión de piezas de manera que se puedan diseñar vehículos de bajo coste para poder testearlos en dichas vías. Es así cómo el TFG se puede dividir en dos partes. En primer lugar, es necesario estudiar y entender el funcionamiento del Challenge del que surge la idea y en segundo, realizar un primer prototipo de vehículo que pueda funcionar en la cubierta de la ETSI. 2.1 Adaptación del IMechE Railway Challenge Los proyectos que se llevan a cabo hoy en día en las Universidades van más allá de la mera formación teórica complementada con las prácticas de laboratorio. En un entorno industrial competitivo, los estudiantes de las universidades deben desarrollar sus habilidades en todos los campos posibles. Partiendo de esa base se han ido desarrollando competiciones estudiantiles como Formula Student, Moto Student, Air Cargo Challenge y el mismo evento que se pretende adaptar. A día de hoy, la Universidad de Sevilla participa en Formula Student a través de ARUS (Andalucian Racing team of University of Sevilla) y en Motostudent es representada por su equipo US Racing. Es evidente que participar en un proyecto de ingeniería real a pesar de estar a nivel estudiantil es algo que otorga un plus cuando se acaban los estudios. No es lo mismo aquella persona que durante su vida estudiantil se ha dedicado de forma exclusiva a los estudios en las aulas, que aquella que ha sido capaz de ver la luz del mundo exterior a través de la rendija que le proporcionan estos retos. La ingeniería está completamente en el polo opuesto de lo que significa un examen en la Escuela. A un examen uno se enfrenta solo, sin más herramientas que su memoria, sus conocimientos y con suerte, un prontuario y la calculadora. Un proyecto ingenieril se enfrenta en equipo, con manuales, con software de cálculo, de diseño… Es por ello que formar parte de un equipo para realizar un challenge acerca al alumno a su futuro laboral mucho más que lo que pudieran hacer las aulas. En el el Railway Challenge de la ETSI los alumnos se enfrentarán a problemas de diseño dentro de un entorno controlado donde verán cómo funciona la ingeniería recurrente, la organización e incluso deberán tener en cuenta que los costes asociados a llevar a cabo sus soluciones. De esta manera, se crea una competición en la que se puede llegar a simular un mercado capitalista competitivo donde los equipos, tutelados por sus profesores, pondrán sobre la mesa diferentes productos. En este ciclo de proyecto, será necesaria una planificación global del equipo. Empezando por la subdivisión E Definir tu propósito es el punto de partida de todo logro. - W. Clemente Stone - 8 interna del equipo para poder diseñar los diferentes sistemas y pasando por plazos de entrega y puntos de no retorno. Los participantes vivirán una experiencia en la que deben ser capaces de autogestionarse y cumplir los hitos de entrega teniendo en cuenta que ciertas decisiones, llegados a un punto del desarrollo no tienen marcha atrás. Es así como asimilarán conceptos como:  Ingeniería concurrente. En un proyecto complejo donde todo tiene relación, las decisiones tomadas desde el punto de vista de un sistema pueden resultar en la imposibilidad de satisfacer los requerimientos de otros. De la misma manera, cambios en diferentes soluciones de diseño, no solo producen los efectos deseados, sino que será necesario que se comprueben los impactos en el resto del tren. Figura 4. La ingeniería recurrente [9]  Punto de no retorno. En la planificación de un proyecto ingenieril se marcan hitos importantes. Muchos de ellos suponen que una vez superada esa fecha y ese diseño, todo por detrás queda congelado. Se ha de ser consciente de la importancia que tiene cada cálculo y diseño pues si nos damos cuenta de un error garrafal, hasta tomando la decisión de volver hacia atrás y rediseñarlo podremos llegar a tiempo a nuestros objetivos.  On Time Delivery (OTD; entrega a tiempo al cliente). Intimamente ligado a los puntos de no retorno, en ocasiones el cliente, en este caso el jurado de la competición, establecen puntos de entrega donde el equipo debe tener preparados unos ciertos entregables. De esta manera, el contratista puede saber cómo va el proyecto y en el caso de que lo considere oportuno debido a problemas de cualquier índole, cortar y darlo por concluido. En otras ocasiones, puede haber un contrato firmado que a pesar de que no se produzca la cancelación del proyecto, sí que exista cierta penalización económica al no cumplir ciertos objetivos de tiempo de entrega. Además, los estudiantes desarrollarán las denominadas como “soft-skills” o habilidades transversales. Las habilidades transversales no son aquellas herramientas propias de cada persona que le permiten interactuar e integrarse con su entorno de forma exitosa. Por lo tanto, las presentaciones de sus diseños y las colaboraciones entre puntos diferentes de vista permitirán a los participantes ser capaces de enfrentarse a un público que potencialmente puede que no comparta sus ideas. Es más, deben de ser capaces de gestionar posibles contingencias y tensiones que se puedan llegar a generar dentro del equipo, manteniendo siempre un comportamiento profesional a la par que se liman asperezas y se solucionan los problemas internos por el bien del Challenge. Finalmente, para poder realizar el proyecto y la adaptación es necesario entender a existencia de unos requisitos técnicos mínimos para el diseño. Al igual que IMechE separa en diferentes categorías los requisitos, partiendo de la base de que en la Escuela se debe realizar con impresoras 3D y procurando que los costes de los diseños sean reducidos, se realizará el desgranado de las especificaciones técnicas que Challenge original explota, de forma que podamos desarrollar un itinerario alternativo teniendo en cuenta el entorno de nuestro reto. 2.2 Diseño del prototipo base La idea de la adaptación en base a documentos técnicos y fijar las bases legales y técnicas del concurso, está muy bien pero no es completa. Como parte de la adaptación del Railway Challenge, se diseña un primer prototipo de vehículo teniendo en cuenta las características de la adaptación. De esta manera, la idea queda fundamentada con la viabilidad desde un punto de vista técnico, económicos y de los medios a partir de los cuales se debería desarrollar la fabricación de un vehículo de pequeña escala. Se debe tener en cuenta que durante el IMechE Railway Challenge se diseñan y se manufacturan trenes de grandes dimensiones y complejidad en equipos de hasta 15 personas a lo largo de un año. Al igual que la normativa y los requisitos técnicos se adaptan a la Escuela, el diseño del prototipo inicial también tendrá su correspondiente adaptación. En los capítulos 4 y 5 se desarrollarán los conceptos teóricos de cómo está conformado un tren, el diseño del prototipo y las soluciones a las que se ha llegado. La mayor parte de los desarrollos técnico-matemáticos que se implementan son completamente válidos para un tren completo con todos sus sistemas y características completas. De esta manera, los cálculos que se puedan aplicar de forma análoga a un diseño de mayor calibre, llevan asociados funciones en Matlab que faciliten a los futuros equipos la resolución de los problemas. De esta manera, podrán centrarse en la innovación y el perfeccionamiento del comportamiento de su diseño. En el siguiente capítulo, se puede encontrar el desglose de los tiempos de impresión 3D, así como las diferentes soluciones a la potencial impresión. Teniendo en cuenta que el volumen de impresión de la BQ Witbox 2 está limitado, es necesario llevar a cabo una optimización del uso de la maquinaria usada para la fabricación. De esta manera, se busca que el prototipo se posicione en un buen puesto desde el punto de vista de los costes y la manufacturabilidad, entre otros. Siguiendo en la línea del cumplimiento de los requisitos no solo técnicos, sino de presentación de plan de negacio, será necesario que parte de la memoria vaya encaminada al cálculo de un presupuesto de fabricación del modelo. Dentro de estos cálculos se tendrán en cuenta costes que van más allá de la manufactura del vehículo, estamos hablando de los costes de los equipos o del capital humano. 10 3 ETSI RAILWAY CHALLENGE n este capítulo, se pretende dar forma a la normativa y documentos del Challenge para la ETSI. Se realiza el estudio y la reformulación de los archivos básicos para participación a partir de los de IMechE, siempre manteniendo en el horizonte las necesidades y particularidades de nuestra adaptación. Es por ello por lo que una lectura de este capítulo en castellano pudiera llegarse a interpretar como una primera toma de contacto para un equipo que quisiera dar el salto a IMechE Railway Challenge. De la misma manera, se puede llegar a considerar que una participación en el ETSI Railway Challenge puede ser beneficioso para entender los mecanismos básicos de un ferrocarril. La deconstrucción de los documentos de IMechE y posterior adaptación para la Universidad de Sevilla, no es más que un modelo inicial de normativa que puede ser actualizado en cualquier momento. Es más, IMechE renueva cada año estos documentos, tanto los técnicos como los generales según los cambios ocurridos y el feedback recibido durante la anterior edición. En el futuro existe la posibilidad de que la Universidad de Sevilla tome parte en la competición internacional. El ETSI Railway Challenge puede llegarse a usar como formación previa para los nuevos integrantes del equipo. Además, al tratarse de prototipados de menor tamaño y mayor facilidad de manufactura, ciertas pruebas del diseño que se quiera presentar en Stapleford, podrían testearse en la cubierta de la Escuela. 3.1 Normativa general 3.1.1 Objetivos del Railway Challenge La Universidad de Sevilla a través del Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación situado en la Escuela Técnico Superior de Ingeniería (Avd. Camino de los Descubrimientos s/n, 41092, Sevilla (España)) lleva a cabo la celebración del Railway Challenge de la ETSI para estudiantes de la Universidad de Sevilla que durante el E Las cosas difíciles requieren un largo tiempo, las cosas imposibles un poco más - André A. Jackson - Año Académico 2021/ 2022 estén cursando sus estudios, ya sean de Grado o de Máster. Se establece que el fin ultimo de la competición es el diseño y la manufactura de un vehículo que sea capaz de operar en la vía situada en la cubierta superior de la ETSI de acuerdo a la normativa técnica proporcionada en estos documentos. Todo equipo que decida inscribirse en el reto, deberá presentar un profesor-tutor del proyecto a fin de que conste como responsable del equipo. Este profesor podrá aportar ideas y conocimientos teóricos pero en ningún momento ser el responsable directo de ninguna solución de ningún sistema que presente el equipo. En pos de que se cumplan estas directrices, tanto el profesor como los miembros del equipo deberán firmar un “Compromiso de Cumplimiento de Normativa” (ANEXO A). 3.1.2 Requisitos mínimos del diseño El modelo debe desarrollarse para unas vías de escala con ancho de vía de 127 mm. El Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación proporcionará a quienes lo necesiten el manual de uso y características técnicas de la vía. El diseño será evaluado en términos de requisitos técnicos respecto a control del vehículo, velocidad, fiabilidad, control de vibraciones, aceleraciones, autonomía global y frenado. El diseño será evaluado en términos de requisitos de viabilidad económica respecto a costes de fabricación, intercambiabilidad de piezas y facilidad de manufacturación. Cualquier método de control es válido para ponerse en contacto con el vehículo, ya sea radio, cable, bluetooth, control a través de aplicaciones de móvil, ordenador… Todos los puntos anteriores serán juzgados durante su desempeño de pruebas e influirán de manera directa en la clasificación final de la competición. 3.1.3 Duración del ETSI Railway Challenge El concurso comenzará con la apertura de inscripciones durante el mes de octubre. Se deberá entregar el formulario de inscripción del ANEXO B debidamente cumplimentado, bien en la Secretaría del Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación o bien a través de la extension habilitada en el dominio web de la Escuela Técnico Superior de Ingeniería (www.etsi.us.es). Durante las múltiples fases del concurso se impartirán clases magistrales en formato webinar y/o presencial sobre los diferentes sistemas que conforman un tren. Estas clases son de obligada asistencia por al menos un 80% del equipo, siempre siendo posible justificar la no asistencia por motivos debidamente justificados (véase la coincidencia con una Convocatoria oficial), en cuyo caso se estudiaría trasladar la fecha. La fase final se celebrará en julio en la cubierta de la Escuela Técnico Superior de Ingenieros de Sevilla, una vez concluidas las Segundas Convocatorias correspondientes a las asignaturas del Primer Cuatrimestre. La Universidad de Sevilla se reserva el derecho de invitación al evento final donde puedan asistir aquellas personas que determine la Organización del ETSI Railway Challenge, sin importar si el compromiso se debe a acuerdo de patrocinio o de cualquier otra índole. 3.1.4 Medios e instalaciones para la fabricación de los vehículos Con el fin de una competencia justa, todos los equipos tendrán acceso a las instalaciones y maquinaria que les proporcione la Universidad de Sevilla mediante petición previa a través del profesor-tutor. Estos medios podrán ser propios de la Universidad o proporcionados por una o varias empresas que llegen a un acuerdo de patrocinio con la US. Se prohíbe explícitamente el uso de medios externos a los anteriormente mencionados. 3.1.5 Cobertura frente accidentes durante la competición Con la correcta cumplimentación del 18 4 PARTES DEL PROTOTIPO n tren a gran escala está conformado a grandes rasgos por tres grandes partes como se puede comprobar en la siguiente figura: los bogies, el cuerpo y la locomotora. En este capítulo se explica el funcionamiento del tren al completo, se describen las partes del diseño de lo que técnicamente sería el bogie de un tren a escala real y se realiza la justificación de la toma de decisión sobre centrarse en un vehículo a pequeña escala basado en un bogie. Figura 5. Partes de un tren [11] 4.1 Partes de un tren Un tren es un vehículo que se desplaza sobre unos raíles de manera autónoma con el fin de transportar una carga de un punto A a un punto B. La distancia entre los lados de la vía se mantiene constante durante todo el recorrido. Las diferentes partes del tren que lo conforman tienen su propia función, de manera que, la locomotora, los vagones y los bogies de manera conjunta son capaces de conseguir el objetivo del diseño [12] 4.1.1 La locomotora La locomotora es una parte fundamental de los trenes. En ella se situán los paneles de control y los mandos para U No entiendes realmente algo a menos que seas capaz de explicárselo a tu abuela. - Albert Einstein - gobernar las maniobras del tren en su totalidad. Tradicionalmente, los motores de los trenes se situaban en la zona delantera de los trenes, es decir, en la zona de la locomotora. Con ello, en los trenes de vapor, el conductor del tren podía mantener vision de la vía mientras controlaba el carbón con el que se estaba alimentando la caldera. Esta práctica al estar cada vez en más desuso en los trenes modernos permite aumentar la seguridad de la cabina de mandos, evitando que todos los sistemas más peligrosos se concentren en una única zona. Por el contrario, los trenes actuales se mueven gracias a motores híbridos situados en los bogies. De esta manera, tienen la versatilidad de poder viajar tanto sobre vías electrificadas como sin electrificar, a la vez que reducen el consumo del combustible diesel Figura 6. Motor de tren sobre bogie [13] Dependiendo de las vías por las que circulen y el modelo del que se hable, se pueden encontrar híbridos de corriente alterna como de continua. Los de corriente alterna tienen la ventaja de que tienen:  Mejor rango de rendimiento energético.  Estructura robusta y sencilla lo cual confiere mayor fiabilidad.  Facilidad de conversión a corriente continua para administrar energía a otros sistemas del tren, por ejemplo, la iluminación.  Par de arranque mayor. De manera complementaria, los de corriente continua también tienen ciertas ventajas:  Son bastante más baratos.  Menor peligrosidad; ahorro de costes de asilamiento. Si bien, ambas corrientes deben tratarse con cuidado, una descarga de corriente alterna sobre el cuerpo humano es más peligrosa; riesgo alto de infarto tras electrocución. La industria del ferrocarril hace balance sobre ambas partes y se toma la decisión. Ésta no es única y por ello aparecen los problemas (además posibles discordancias en el ancho de vía) sobre las redes de electrificación en Europa. Para solventar estos problemas de compatibilidad, España, Francia, Italia, Bélgica y Países Bajos en sus vías de trenes de Alta Velocidad (el AVE en España, por ejemplo) mantienen una red de electrificación como de 25kV AC. 20 Figura 7. Redes de electrificación en Europa [14] 4.1.2 Los bogies Un bogie es un junto de, al menos, dos pares de ruedas montadas sobre dos ejes paralelos. Estos ejes conforman una estructura solidaria que permite que sobre ellos se puedan situar los vagones o locomotoras del tren. El objetivo principal de un bogie es absorber las vibraciones debidas a cambios en el terreno. De la misma manera, permite que los vagones tengan la esbeltez que les caracteriza para aumentar así el espacio útil. Esto se consigue teniendo una superficie con eje de giro libre en la vertical. El vagón descansa sobre un plato giratorio que permite que el giro de los ejes del bogie no se transmita de forma directa al vagón: Figura 8. Funcionalidad de los bogies [15] Los bogies se pueden dividir según las siguientes categorías:  Número de ejes. Si bien, los bogies de doble eje son los más comunes, podemos encontrar de tres con relativa facilidad e incluso cuatro en los casos más puntuales.  Tractores o no tractores. No todos los bogies llevan asociados un motor que les proporcione la capacidad tractora. En ocasiones resulta interesante diseñar bogies que se dejen llevar por la tracción de la locomotora y/o otros bogies tractores.  Situación de los bogies en el tren. Podemos encontrar desde el clásico doble bogie por vagón ilustrado anteriormente a otros menos convencionales como el Jakob, que se sitúa entre dos vagones con el fin de que se compartan.  Número de bogies por vagón. Al igual que la posición da lugar a diseños diferentes, en ocasiones, es necesario colocar un tercer bogie para el mismo vagón. Esto se aplica a vagones extremadamente esbeltos con el fin de evitar cargar de flexión por peso propio de la estructura. A pesar de los diferentes diseños que se puedan llegar a dar, todos tienen al menos las partes que se describen a lo largo de este capítulo. 4.1.3 Los vagones Un vagón es un cubículo abierto o cerrado que se sitúa sobre los bogies de un tren con el fin del transporte de mercancía y/o pasajeros. Dependiendo de la carga que se decida llevar tener diferentes tipos de vagones:  Mercancía o pasajeros. Si tiene fines comerciales de tranporte de pasajeros, estos vagones constan de sistemas de luz, ventilación, aire acondicionado… buscan proporcionar un espacio cómodo donde los pasajeros puedan pasar el viaje. Si el fin es el transporte de mercancía, la complejidad para la comodidad de los pasajeros desaparece.  Abiertos o cerrados. Los vagones para el transporte de mercancía atendiendo a las características de las cargas pueden tener la cubierta superior abierta al aire libre. A pesar de ello deberán cumplir con la normativa con el fin de que la mercancía no pueda salirse del vagón.  Especiales. Por un lado, temenos cargas que conllevan cierta peligrosidad por lo que el vagón se diseña con el fin de contener esos factores de riesgo, por ejemplo, el transporte de un químico en vagones especiales. Por otro, se tienen carga con necesidades especiales que también deberá solucionar el diseño; estamos hablando de transporte de animales o mercancía refrigerada, entre otros Como se puede comprobar en la division por categorías anterior, a pesar de lo diferente que pueden ser los objeticos, y por lo tanto, los tipos de vagones que se pueden encontrar, todos atienden a la definición inicial de lo que es un vagón. 4.2 Justificación de diseño de un bogie En primer lugar, es necesario contextualizar el nacimiento de este proyecto. Antes de que empezara la pandemia debida al Covid-19, se estableció que el objetivo principal del Trabajo de Fin de Grado fuera la impresión final de un vehículo que pudiera rodar en la cubierta superior de la ETSI. Debido a estos problemas, el contenido global del proyecto ha tenido que ser modificado parcialmente, pero sin perder el horizonte de la impresión en 3D a bajo coste. Partiendo de la base del espíritu con el que nace el proyecto, se han de tener ciertas limitaciones técnicas del proyecto. Si comprobamos la información de un tren cualquiera, como pudiera ser el Talgo de Renfe, podremos estimar el peso de nuestros modelos. Al consultar la página oficial de Renfe, podemos comprobar que el Talgo Alvia tiene un peso de 388 toneladas distribuidas en su locomotora, 12 vagones y 14 bogies. Haciendo unos sencillos cálculos matemáticos podemos estimar el peso que tendría un vagón locomotor con sus 2 bogies. En primer lugar, se calcula el peso del conjunto vagón-bogie: 𝑀𝑣𝑎𝑔ó𝑛+𝑏𝑜𝑔𝑖𝑒𝑠≅388 13 𝑇𝑛≅30𝑇𝑛 Y teniendo en cuenta que el peso de los bogies actuales se sitúan en torno a las 2-2.5 Tn: 𝑀𝑣𝑎𝑔ó𝑛=𝑀𝑣𝑎𝑔ó𝑛+𝑏𝑜𝑔𝑖𝑒−2∗𝑀𝑏𝑜𝑜𝑔𝑖𝑒≅25.5 𝑇𝑛 Como se puede observar de los números anteriores, un bogie se corresponde con el 7.5% del peso total que supondría un tren de único vagón. Para completar la justificación, nos adelantaremos ligeramente utilizando ciertos datos que se presentan en capítulos posteriores pero que nos permiten tratar con números más exactos en lugar de estimaciones. El peso 22 final del vehículo es de 1,718 kg y tiene una densidad total de relleno de impresión 3D del 37,66%. El aumento de peso, así como de fuerzas asociadas a la masa total en frenada, aceleración… nos obligarían a que el vehículo diseñado tuviera que duplicar sin ningún problema su masa. Este incremento de masaría se vería reflejado tanto en las piezas impresas, como en un aumento de superficies de frenado, del motor, de las baterías… Es decir, el peso de cada bogie se situaría en unos 3,5kg. Con una simple regla de calculamos que: {3,5𝑘𝑔→7.5% 𝑚𝑡𝑢𝑣𝑒→100%→𝑚𝑡𝑢𝑣𝑒≅46,7𝑘𝑔 donde mtuve es la masa que tendría un tren de único vagón a escala. Finalmente, conociendo que el motor escogido (consultar el punto 5.3.2) para el bogie diseñado (1,718kg) tiene una potencia de 6W: {1,718𝑘𝑔→6𝑊 46,7𝑘𝑔→𝑃𝑡𝑢𝑣𝑒→𝑃𝑡𝑢𝑣𝑒≅163𝑊 A pesar de que el doble bogie, supondría doble motor y, por ende, la mitad de la potencia necesaria por motor, a continuación, podemos comprobar cómo el rango de precio hace que no sea factible. Hay que tener en cuenta que no solo hay que buscar motores entreguen 81.5W o superior, si no que también deben entregar un par motor adecuado. En línea de consonancia con el par, no debemos olvidar que el prototipo va a trasladarse a una velocidad máxima limitada por las características de la vía, de manera que, las revoluciones por minuto (rpm) tampoco deben tener valores extremadamente grandes. Dentro de todos los motores que se han investigado, el GR63x55 de dunkermotoren, es posiblemente uno de los que serviría si se diseña el tren en toda su dimensión. Podemos encontrar sus especificaciones técnicas en el ANEXO F, inmediatamente detrás de las especificaciones técnicas del G30.1 24V de dunkermotoren en el ANEXO E , que es el motor que se decide utilizar. A forma de comparativa, diseñar el tren completo supondría pasar de 30€ que cuesta el G30.1 a 380€ que supondrián los 2 motores de 100 W. En conclusión, se diseña un tren bajo el concepto teórico del funcionamiento de un único bogie de tren debido a razones económicas. 4.3 Empate Un empate se conforma con el montaje de los ejes del bogie. Técnicamente se define como la distancia que existe entre los mismos. Se muestra a continuación un empate montado con los mínimos elementos para que se pueda ilustrar la distancia, es decir, las ruedas y los ejes: Figura 9. Empate Con el objetivo de conformar un empate, será necesario mostrar cómo queda montado un eje al completo. Hemos de tener en cuenta que un eje estará formado por dos ruedas, dos rodamientos, el eje y los soportes sobre los cuales reposará el resto de la estructura. De esta manera, se pueden asociar la función de cada pieza a la definición de las mismas:  Rueda. Pieza mecánica de geometría circular que gira libremente alrededor de un eje de manera que transforma una velocidad angular en velocidad lineal al ser apoyada en una superficie. Mantiene el contacto vehículo-vía siendo la pieza responsable de la tracción.  Rodamientos. Pieza mecánica conformada por cilindros concéntricos separados por una corona de bolas que permite el libre giro entre un cilindro y el otro. Permite la libre rotación a gran velocidad del eje y de las ruedas a la vez que la masa sustentada sobre el empate se mantiene en horizontal.  Eje. Pieza mecánica de forma tubular que permite la unión solidaria entre las ruedas. De manera complementaria, puede formar parte de la transmisión de potencia del motor hacia las ruedas transmitiendo el par motor hacia éstas.  Soporte. Pieza mecánica de geometría variable que permite situar el cuerpo principal del vehículo sobre los ejes. Sobre ella se monta el sistema de amortiguación con el fin de que el contacto entre cuerpo y empate no se haga de forma directa y se absorban las vibraciones ocasionadas sobre el terreno. Un ejemplo de posible configuración de los elementos es el que se ha utilizado en el diseño del TPEUS: Figura 10. Partes de un eje 4.4 Sistema de amortiguación El movimiento de todo vehículo sobre una superficie genera ciertas perturbaciones debido al terreno. Además, estas fuerzas no serán las únicas que deberá absorber el sistema de amortiguación. La naturaleza de un vehículo requiere que tenga la capacidad de pasar de estado de reposo a velocidad, disminución de la velocidad o detención total del mismo. Estas maniobras producen ciertas fuerzas que también deberán ser gestionadas por el sistema de amortiguación. 24 Figura 11. Sistema de amortiguación vertical Por otro lado, debemos tener en cuenta que en los giros de la vía, el tren rotará parcialmente. Existen múltiples distribuciones de muelles para el control de giro con diferentes grados de complejidad: con o sin actuadores, cruzando los ejes, añadiendo más elemento a la conformación estructural del vehículo.... A modo teórico se presentan a continuación:  Soportes axialmente elásticos. Los soportes no se fijan a la estructura, sino que se les fijan a través de unos muelles que les permiten rotar en el eje vertical. Hay que tener en cuenta que el plano giratorio sobre el que se sitúa el vagón debe permitir esa rotación. Para ello no solo es necesario el deslizamiento libre entre ambas partes.  Ejes controlados por actuadores:  Ejes cruzados con anclajes cruzados: De esta manera, la distancia entre los extremos de los ejes no se mantendrá constante con el fin de que se gestione este giro se escoge una de las posibles soluciones para el control del giro Figura 12. Sistema de amortiguación control del giro Los amortiguadores introducidos de forma coaxial al eje permiten el movimiento en esa misma dirección debido a la fuerza centrípeta que se ocasiona en los giros. Es así como el tren puede asumir los tramos con giro. Figura 13. Sistema de amortiguación. Giro explicativo 4.5 Sistema planta motor Sistema encargado de entregar la potencia necesaria a las ruedas con el fin último de la generación del movimiento. Está compuesto por varias partes:  Motor. Elemento del sistema que transforma la energía eléctrica, fósil… en movimiento. Las características básicas de un motor son: o Tipo de energía que transforma. Los motores pueden ser tanto eléctrico como de combustión de alguna fuente de energía fósil (gasoil, gasolina, queroseno…) o En el caso de los eléctricos podemos separar entre motores de corriente alterna o continua. o Condiciones de funcionamiento. Ya sea un motor de CC o CA, estos trabajan a unas condiciones nominales de voltaje (V), amperaje (A) y frecuencia (Hz), este últim solo en el caso del de alterna. o Rendimiento. Porcentaje de potencia que es capaz de transformar de energía eléctrica a energía cinética. o Potencia nominal (W). Potencia que es capaz de generar al régimen de revoluciones de rendimiento óptimo. o Revoluciones por minuto (rpm). Régimen de revoluciones al que trabaja con rendimiento óptimo. o Par motor (N·m). Momento de rotación que actúa sobre el eje del motor.  Combustible. No técnicamente tiene que ser un depósito como sería en el caso de un combustible fósil líquido. En el caso de los motores eléctrico las pilas y/o baterías son la fuente de alimentación del motor.  Transmisión. Conjunto de engranajes y poleas que permiten la transmisión del movimiento rotatorio del eje del motor hacia el eje de las ruedas. De esta misma manera adecúan la velocidad de giro a la necesaria. Con el fin de mantener el motor en su régimen nominal de revoluciones de manera que el rendimiento sea máximo. La transmisión pueden ir precedida de una caja de cambios, de manera que la relación de conversión entre velocidad angular del motor y la angular de las ruedas puedan tener diferentes valores según la velocidad que se le requiera al vehículo. Por ejemplo, supóngase un motor con 5 000 rpm de régimen nominal con tres cambios de marcha a relación 1:10, 1:20 y 1:30. Mientras más rápido se le requiera ir al motor, menor será la relación de marcha requerida con el fin de que siempre esté girando en un punto de trabajo lo más cercano posible a su punto de diseño. 26 Figura 14. Sistema planta motor Hay que tener en cuenta que todo este sistema lleva asociado un cierto sistema de control que indique al motor cómo debe comportarse en cada momento. Esto describe en un apartado futuro donde se introduce el sistema electrónico completo pues el motor del sistema propulsor, no será el único que tenga que gobernar. 4.6 Sistema de frenado El sistema de frenado es el encargado de permitir a un vehículo que reduzca su velocidad o se detenga por completo. Esto se debe a la aparición de fuerzas de frenado sobre las ruedas que se ocasionan por fricción por contacto con las mismas. Para que se produzcan estas fuerzas, el sistema de frenado consta de diferentes mecanismos para producirlo. El sistema de frenado está compuesto realmente hasta por tres frenos diferentes:  Freno primario o de servicio. Freno principal que permite el control de la velocidad del tren mientras esté rodando. Este tipo de freno puede actuar sobre uno o varios ejes  Freno de estacionamiento. Freno secundario que impide la movilidad total del vehículo que se activa cuando el tren no se va a mover hasta nueva orden. Especialmente útil cuando el estacionamiento no se realiza en vías completamente llanas que terminarían provocando el movimiento del vehículo.  Freno de emergencia. Freno que actúa de manera independiente al principal y que solo se activa cuando es necesaria una parada y el de servicio no funciona. Para transmitir estas órdenes de frenadas es necesario que se transmita la información. Si bien en un coche la pisada de un pedal crea el impulso electrónico de orden de frenada, en un tren el funcionamiento es idéntico en la sala de controles cuando se tira de una palanca o se pulsa el botón de frenada (según el modelo de tren). Al fin y al cabo, lo único que se necesita para que un vehículo decelere es que se genere la orden y el sistema de control electrónico la procese como tal. Para la transmisión final de movimiento se ha de tener en cuenta que los sistemas de frenado se basan en circuitos de transmisión hidráulica. Esto se debe a la Ley de Pascal que establece que: 𝐹1∗𝑆1=𝐹2∗𝑆2 Figura 15. Ley de Pascal Donde:  Fi=fuerza aplicada sobre la superficie i.  Si=área de la superficie i. Con montajes del tipo que nos precede se consiguen grandes fuerzas sobre las ruedas mientras que la fuerza inicial necesaria no debe ser excesivamente grande gracias a que estos circuitos se diseñan tales que S1/S2>>1. Por último, debemos tener en cuenta que la geometría de las superficies de contacto es variable pero la forma o el tamaño de las mismas son independientes de la fuerza de fricción que puedan crear sobre las ruedas, pues depende exclusivamente del coeficiente de fricción entre superficies y la fuerza que se le ejerza. Figura 16. Sistema de frenado 4.7 Sistema de control Todo vehículo debe estar gobernado por unos mandos que lo mantengan dentro de las condiciones deseadas de funcionamiento. Es pos de obtener dicho objetivo, los vehículos actualmente disponen de una cantidad importante de electrónica, circuitería, actuadores, mecanismos… todos controlados desde la cabina de mando. Las condiciones deseadas se controlarán mediante circuitería que actúe sobre los sistemas que conforman el vehículo completo. En nuestro caso se utilizará Arduino para mantener el control de sobre el motor propulsor y el servomotor de frenado. 34 serán sus especificaciones y su comportamiento. 5.4.1 Análisis de un motor. Ecuaciones En primer lugar, se sabe que las variables P y T están ligadas por la siguiente ecuación: 𝑃𝑚=𝑇𝑚∗𝜔=𝑇𝑚∗𝜋∗𝑛𝑚 30 Donde:  Pm=Potencia del motor (W)  Tm=Par entregado por el motor (N·m)  ω=Velocidad angular (rad/s)  nm=Revoluciones del motor (r.p.m) Esta idea ya fue introducida en el punto 4.2. A la hora de buscar motores que pudieran satisfacer las condiciones de potencia, no debíamos olvidar que su régimen de revoluciones no debía ser excesivamente grande pues limitaría la capacidad tractora del par que entrega. De esta forma, se debía descartar motores que tuvieran una velocidad angular nominal que “destruyera” el par motor. De manera progresiva, se tiene que la fuerza que se transmite para producir una aceleración es tal que: 𝐹𝑚=𝜂𝑇𝑅𝑃𝑚 𝑣𝑡=𝜂𝑇𝑅∗𝑇𝑚∗𝜋∗𝑛𝑚 30∗𝑣𝑡 Donde:  ηTR=rendimiento de transmisión. Se suele situar entre el 80-90%  vt=velocidad del tren (m/s) Por otro lados conocemos las relaciones de velocidad de las ruedas en contacto con el suelo: 𝑣𝑡=𝜋∗𝐷∗𝑛𝑟 60 Donde:  D=diámetro de las ruedas (m)  nr=revoluciones de las ruedas (r.p.m) Por lo que si finalmente añadimos la relación de transmisión motor-rueda y aplicamos el rendimiento de transmisión al par motor, tendremos completamente determinado nuestro sistema: {𝑟𝑟𝑚=𝑛𝑟 𝑛𝑚 𝑇𝑟=𝜂𝑇𝑅∗𝑇𝑚=𝐹𝑟∗𝐷2 Donde por último lugar se tiene que:  Tr=es el par que la rueda ejerce sobre la vía  Fr=la fuerza que ejerce la rueda sobre la vía Una vez son conocidas las ecuaciones que gobiernan el motor describamos las dos condiciones que debe cumplir nuestro vehículo. 5.4.1.1 Condición de potencia Por un lado, tenemos que el motor debe entregar una potencia suficiente para supercar las fuerzas que se oponen al movimiento:  Fuerza de rozamiento. Fuerza que va en contra del movimiento relativo entre dos superficies de contacto.  Fuerza debido a pendiente. Fuerza ocasionado por la descomposición del vector peso cuando se sube una pendiente ocasionando una componente en contra de la dirección del movimiento. Nótese que solo se tiene en cuenta la subida puesto que en bajada esta fuerza tiene la dirección del movimiento y pasa de ser un limitante a aportar potencia al movimiento; se transforma energía potencial gravitatoria en cinética.  Fuerza aerodinámica. Fuerza debida al impacto del aire sobre la superificie perpendicular al movimiento. Figura 21. Fuerzas en oposición al movimiento Aplicando sus expresiones matemáticas tenemos que (se sustituyen los valores de masa obtenidos tras las iteraciones necesarias con el fin de que el motor G30.1 cumpla con las especificaciones técnicas): {𝐹𝑅𝑜𝑧= 𝜇𝑟𝑜𝑧∗𝑚𝑡∗𝑔=0.1∗1.718∗9.81≅1.685𝑁 𝐹𝛼=𝑠𝑒𝑛 (𝛼)∗𝑚𝑡∗𝑔=𝑠𝑒𝑛 (1.7899º)∗1.718∗9.81≅0.526𝑁 𝐹𝑎=𝐶𝑎∗𝑆𝑡∗𝑣𝑡2=0.05∗3.577∗10−2∗32≅0.016𝑁 En las ecuaciones se aplican los valores de coeficiente de rozamiento entre rueda-vía de valor de 0.1 a modo de sobreestimación de la potencia necesaria, en la literatura podemos se suelen tener valores entre 0.02-0.05 [17] y como valor de coeficiente aerodinámico 0.05 al tratarse de un vehículo que no tiene depuración aerodinámica. De todas formas, podemos observar que FRoz, Fα>>Fa por lo que la componente de fuerza debida a la resistencia aerodinámica se considera despreciable. De los números anteriores ya se puede obtener la potencia necesaria del motor: 𝑃𝑚=𝑃𝑟 𝜂𝑇𝑅=(𝐹𝑅𝑜𝑧+𝐹𝛼)∗𝑣𝑡 𝜂𝑇𝑅 =(1.685+0.526)∗3 0.85 ≅7.8𝑊 Será necesario encontrar un motor tal que su potencia nominal se sitúe en torno a los 7.8W. 5.4.1.2 Condición de adherencia Además de la condición de potencia. El par motor debe producir una fuerza que permita al TPEUS rodar sobre las vías y no deslizar. Se establece así condición de adherencia a la vía como: 𝐹𝑟<𝐹𝑎𝑑ℎ La expresión de la adherencia depende por un lado de coeficiente de adherencia μadh y por otro de la inclinación del terreno. Desde un punto de vista matemático queda determinado de forma que: Figura 22. Adherencia al terreno {𝐹𝑎𝑑ℎ= μadh∗𝑚𝑡∗𝑔∗cos(𝛼) 𝐹𝑟=2𝐷∗𝑇𝑟=2𝐷∗𝜂𝑇𝑅∗𝑇𝑚→𝐹𝑎𝑑ℎ>𝐹𝑟 36 Los valores de adherencia típicos de superficies como neumático-carretera son del orden 0.9-1 pasando a valores de 0.2-0.3 cuando el terreno se encuentra mojado. Para el contacto rueda-vía, se decide tomar un valor conservador de 0.6 que nos permita comprobar la condición de adherencia. 5.4.2 Elección del motor Conocidas las ecuaciones que determinan si un motor nos servirá y en qué condiciones lo hará, estudiamos el mercado de motores tomando como punto de referencia la potencia requerida. Por un lado tenemos el G30.1 a 24V con una potencia nominal de 6W de Dunkermotoren y por otro, el 1.13.049.202 (13W a 24V) de Bühler, ambas compañías alemanas. Tomando como variables de decisión el peso y el precio de ambos se decide sacrificar la posibilidad de que el TPEUS pueda tomar las pendientes a vt=3 m/s ya que, tenemos que el G30.1 nos ofrece un precio de 30€/unidad y un peso de 110g mientras que el de Bühler se dispara hasta los 134€/unidad y un peso de 270g. Hágase notar, que el incremento de peso que supondría la elección del Bülher implicaría cambios en la potencia requerida por la variación de las fuerzas debidas a pendiente y rozamiento. A pesar de ello, no tendría un impacto directo sobre la elección del propio motor puesto que su potencia superior cubre de sobra este rendimiento. Por el contrario, este incremento de masa si que modificaría las fuerzas necesarias para la frenada y amortiguación. Además, al trabajar en un régimen diferente de r.p.m la transmisión tendría una relación diferente a la escogida. Para facilitar las pruebas con diferentes motores será necesario obtener sus curvas de comportamiento. Las del G30.1 a 24V se pueden encontrar completas completas en el ANEXO E. Aquí se muestra la más relevante: Figura 23. Características del motor G30.1 24V De aquí podemos deducir que su régimen nominal se sitúa en unas 3 400 rpm. Si se recuerda que debido a la geometría de las ruedas se tenía que su velocidad angular de 628 rpm entonces: 𝑟𝑟𝑚=628 3400≅5.57 Esto nos genera una tesitura para escoger una relación de transmisión sencilla de implementar, o usamos rrm=1/5 o rrm=1/6. Estas relaciones de transmisión nos darían que el motor estaría en unas 3 100 o unas 3 700 rpm. De las gráficas podemos observar que para la segunda relación de transmisión se tiene un rendimiento superior por lo que se establece que rrm=1/6. Una vez tomada la decisión se implementan las ecuaciones y los datos en Matlab del ANEXO H. De esta manera, cualquier motor, relación de transmisión… puede ser fácilmente modificado y será Matlab quien directamente nos resuelva los problemas:  Motor_condiciones_generales.m. Nos devuelve por pantalla que el motor si será o no suficiente en todo momento. En nuestro caso con mt=1.718kg, α=1.7889º, μadh=0.6, μRoz=0.1 y ηTR=0.85 obtenemos que la velocidad máxima a la que podrá realizar los tramos de subida es de 2.75 m/s mientras que no existen problemas en los tramos llanos o respecto a la condición de adherencia.  Motor_masa_segun_pendiente.m. Podemos configurar la velocidad de subida que deseemos y el programa nos devuelve una gráfica que nos muestra la masa que podría tener el TPEUS para según qué pendiente. A continuación, se muestra el gráfico para la v=3 m/s obtenida en el anterior punto. Como cabe de esperar la masa de nuestro TPEUS se sitúa en 0º en la Figura 24. Figura 24. Masa en función del ángulo máximo de subida para v = 3 m/s  Motor_masa_segun_velocidad.m. Nos devuelve la gráfica análoga a la anterior. Si bien antes fijábamos la velocidad requerida, ahora se quiere saber la masa máxima que es capaz de subir el motor por una pendiente delimitada a la mayor velocidad posible. De la misma forma que antes se obtenía el punto de diseño del TPEUS, ahora podemos encontrar un punto de v=2.75m/s y m=1.69, prácticamente las condiciones de nuestro motor. Se puede consultar la Figura 24 para más información. Figura 25. Masa en función de la velocdidad para α = 1.7899º  Motor_masa_segun_pendiente_y_velocidad.m. Permite obtener varias gráficas del punto anterior en un mismo gráfico. De esta manera, podemos observar en la Figura 25 que se obtiene, que mientras mayor es el ángulo, más se desplaza hacia abajo la correspondencia con la masa máxima. 38 Figura 26. Masa (v) para múltiples α  Velocidad_segun_alpha_para_m_fijada.m. Permite darnos de vuelta la velocidad a la que debería bajar nuestro TPEUS (o cualquier vehículo con sus propias características). Como era de esperar, tenemos un punto en la gráfica que se corresponde a la operación sobre las vías de la cubierta superior, es decir, vt=2.75 m/s mientras que α = 1.7899º. Figura 27. Velocidad del TPEUS en función del ángulo de subida α 5.4.3 Transmisión de potencia Una vez queda determinada la relación rrm=1/6 la transmisión de potencia pasa a ser algo trivial. En nuestro caso la reducción de velocidad se realiza en dos tramos:  Transmisión con relación 1:3 a través de engranajes.  Transmisión con relación 1:2 mediante el uso de poleas. Figura 28. Relación de transmisón 5.4.3.1 Engranajes Un conjunto de engranajes tiene como principal función en cualquier conjunto transmisor acomodar la velocidad angular al sistema. Se puede hablar de sistemas de engranajes que cambian la dirección de giro, como el conjunto “diente sin fin-engranaje” o conjuntos reductores. En nuestro diseño nos es necesario el segundo. De forma general para un sistema de engranajes de este tipo se cumple que: { 𝐷0 𝑧0=𝐷1 𝑧1=𝑚 𝐷0 𝐷1=𝑧0 𝑧1=𝑖 𝐷01=𝐷0+𝐷1 2 Donde:  Di=diámetro del engranaje i.  zi=número de dientes del engranajes i.  i=relación de transmisión. En nuestro caso 1/3.  m=módulo o parámetro característico del sistema de engranajes.  D01=distancia entre los ejes de los engranajes. Atendiendo a las dimensiones de nuestro conjunto, se establece que D01=40 mm. Si introducimos ese dato en la última ecuación y tenemos en cuenta que i=1/3. Se obtiene que los diámetros de nuestros engranajes son 20 y 60 mm. A partir de estos datos ya podemos determinar la geometría del engranaje. {𝑒𝑑=19 40𝜋∗𝑚 ; 𝑒𝑣=21 40𝜋∗𝑚 𝑎=𝑚 ;𝑏=0.75∗𝑚 Donde:  ed y ev =los espacios de diente y de valle, respectivamente. El de diente se diseña ligeramente superior para que la rotación diente sobre diente no produzca demasiado golpeteo.  a y b= cabeza y raíz del diente, respectivamente. Se determina que la cabeza debe ser menor para que el movimiento sea fluido sin colapso. Teniendo en cuenta que el engranaje de menor tamaño mide 10mm de radio, es decir, 20π mm, se establece que debe tener al menos 8 dientes para su correcta impression. Esto implica que el eje mayor tendrá 24 y por ende, 40 el modulo del movimiento o parámetro característico del mismo sea 2.5 mm Figura 29. Partes de un engranaje [18] En el caso de nuestro diente, sustituyendo en las fórmulas empleadas se tiene que: { 𝑒𝑑=19 40𝜋∗𝑚=3.73𝑚𝑚 𝑒𝑣=21 40𝜋∗𝑚=4.12 𝑚𝑚 𝑎=𝑚=2.5 𝑚𝑚 𝑏=0.75∗𝑚=1.875 𝑚𝑚 Para cualquier otra consulta, se pueden consultar los planos 3-1 y 3-3 del ANEXO I con los detalles de ambos engranajes. 5.4.3.2 Poleas Las poleas funcionan con la relación básica de que: 𝜔1∗𝐷1=𝜔2∗𝐷2 Es fácilmente deducible que el diámetro del eje que comparte con el engranaje de salida del apartado anterior deberá será la mitad del que va hacia los ejes de las ruedas. Dentro de la gran cantidad de poleas que se encuentran en el mercado, se escogen unas básicas de Polyester Fabrica modelo T75 de 6mm de anchura. Por otro lado, con la herramiente de medir de CATIA sabemos que la longitud total de cada una de las correas es de 302 mm. Teniendo en cuenta la anchura de las correas que transmiten el movimiento entre ejes, se les incluyen unas poleas conductoras tales que D1=13.5mm y D2=6.75 mm. Se pueden consultar la geometría completa de las poleas en los planos 3-5 y 3-6 del ANEXO I. 5.4.4 Baterías. Autonomía Por último pero no por ello lo menos importante, tenemos el suministro de energía hacia la planta motora. Se escogen 2 pilas modelo 23A 12V que se conectan en paralelo para poder dar el voltaje necesario al motor de 24V. Esto se debe a que son baterías ligeras (7.4g por pila) y económicas (2.95€/u). Dentro del mercado se estudian otras baterías pero implican un peso total del orden 100g, por lo que por razones de potencia quedan totalmente descartadas. Una vez escogidas las pilas, será necesario calcular la autonomía total del vehículo. En primer lugar, debemos tener en cuenta que el consumo máximo de nuestro motor se da para vt= 3 m/s, es decir, gira a 3768 rpm. Si se consulta el ANEXO F de sus características, más concretamente su gráfica de la intensidad, se obtiene que a ese régimen de revoluciones consume 0.3424A. Si por otro lado se consulta el ANEXO J de las especificaciones técnicas de las pilas, se tiene que tienen una capacidad de 66mAh. Recuérdese que se colocan en paralelo por lo que it=i1+i2=2*i1=66mAh. De esta manera, teniendo en cuenta que en esta ocasión la regla de tres en inversamente proporcional (a mayor intensidad, menos dura la pila): {342.4 𝑚𝐴→𝑥 𝑚𝑖𝑛 66 𝑚𝐴→60 𝑚𝑖𝑛→𝑥=60∗66 342.4=11min34𝑠 En el caso que nos confiere, tal vez nos sea más útil tener el dato de la autonomía en vueltas que puede dar el TPEUS partiendo de la velocidad de diseño y la longitud de las vías: {𝑣𝑡=3 𝑚/𝑠;𝑙=90𝑚→𝑡𝑣=30 𝑠 𝑡𝑎𝑢𝑡=11 𝑚𝑖𝑛 34𝑠→23 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠 De esta manera, queda claro que podrá superar las 18 vueltas totales que componen las pruebas y los tramos parciales de aceleraciones y deceleraciones, obteniéndose así la puntuación extra por autonomía global. 5.5 Sistema de frenado El sistema de frenado no consiste en un conjunto de tuberías para llevar el líquido hidráulico que mueva los pistones que tenemos actuando sobre las ruedas y los propios actuadores. El diseño de los circuitos puede resultar trivial pues el diseño solo responde a la necesidad de llevar de un punto A a un punto B el líquido, de manera que se transmita la fuerza del servo sobre las ruedas. Por el contrario, el diseño de las superficies, confiere su estudio previo y sus ecuaciones. 5.5.1 Ecuaciones de frenado Las fuerzas de frenado que se producen se deben a que las ruedas son frenadas mediante pistones. El procedimiento termodinámico se basa en disipar energía cinética en forma de calor mediante la fricción por rozamiento. Con el fin de que esta fricción sea mayor, se utilizan unos émbolos de jeringuillas recortados de manera que la superficie de contacto tenga rugosidades y por ende, coeficiente de rozamiento mayor. Este diseño se ve claramente reflejado en la ecuación básica que gobierna el par de frenado que se genera entorno a la rueda: {𝐹𝑓𝑟𝑖=𝜇𝑝𝑟∗𝐹𝑝 𝑇𝑓𝑟𝑖=𝐹𝑓𝑟𝑖∗𝑑𝑒𝑝=𝜇𝑝∗𝐹𝑝∗𝑑𝑒𝑝=𝐹𝑓𝑟𝑒𝑛∗𝐷2 Donde:  Ffri= fuerza de fricción sobre la rueda.  μpr=coeficiente de fricción piston-rueda.  Fp=fuerza que ejerce el pistón.  dep=distancia entre el eje de la rueda y el punto central de acción del pistón.  Tfri=par de frenado sobre la rueda.  Ffren=fuerza de frenado rueda-vía Nótese que se asume que la fuerza que ejerce el pistón se supone uniforme sobre toda la superficie para así asumir el punto de acción como el punto central. A pesar de que estas ecuaciones nos pueden hacer pensar que a mayor Ffri, mayor Tfri y que el TPEUS se frenará antes, esto no es estrictamente así. Es necesario tener en cuenta que la fuerza máxima de frenado que puede tener 42 un vehículo no puede superar la debida a la adherencia. Si esto pasara, se bloquearían las ruedas y se pasaría de frenar por adherencia a frenar por rozamiento, lo cual tiene un coeficiente mucho menor, y se recorrería una distancia mayor. Para evitar este problema, los coches tienen sistema ABS (Anti-Block System). En nuestro diseño, se configurarán los frenos de tal forma que que no se supere ese valor: 𝐹𝑎𝑑ℎ=𝜇𝑎𝑑ℎ∗𝑚𝑡∗𝑔 Si se utiliza un balance de energía podemos obtener las expresiones necesarias para determinar la frenada. Por un lado sabemos que tenemos una energía cinética que queremos disipar y por otro que la fuerza de frenado por la distancia es la encargada de disiparla. De esta forma: {𝐸𝑐=𝑚𝑡∗𝑣𝑡2 2 𝐸𝑓𝑟𝑒𝑛=𝐹𝑓𝑟𝑒𝑛∗𝑥𝑓𝑟𝑒𝑛→𝐸𝑐=𝐸𝑓𝑟𝑒𝑛→𝑥𝑓𝑟𝑒𝑛=𝑣𝑡2 2∗𝑔∗𝜇𝑓𝑟𝑒𝑛=𝑣𝑡2 2∗𝑔∗𝜇𝑎𝑑ℎ Donde:  Ec=energía cinética  Efren=energía de frenado  xfren=distancia total de frenado  μfren=coeficiente de adherencia en el frenado Con el fin de que la distancia de frenado sea minima, se fuerza que el coeficiente de frenado sea el mismo que el de adherencia. Por otro lado, se puede calcular la deceleración que experimenta el TPEUS relacionando la ecuación de Newton y la definición de fuerza de frenado: {𝐹𝑓𝑟𝑒𝑛=𝑚𝑡∗𝑑 𝐹𝑓𝑟𝑒𝑛=𝜇𝑓𝑟𝑒𝑛∗𝑚𝑡∗𝑔=𝜇𝑎𝑑ℎ∗𝑚𝑡∗𝑔→𝑑=𝜇𝑎𝑑ℎ∗𝑔 Es necesario destacar que d se define como deceleración, desde un punto de vista vectorial una aceleración negativo, por ello no se usa la denominación “a”. Una vez se tiene el valor de la deceleración, se puede obtener el tiempo necesario para el frenado del TPEUS desde que los pistones tocan la rueda hasta que se detiene por completo: 𝑑=∆𝑣𝑡 𝑡𝑓𝑟𝑒𝑛→𝑡𝑓𝑟𝑒𝑛=∆𝑣𝑡 𝑑=𝑣0 𝜇𝑎𝑑ℎ∗𝑔 De forma aclaratoria, los actuadores tienen unos tiempos de acción que para cálculos posteriores incrementarán la distancia de frenado desde que se da la orden de detención hasta que se termina de ejecutar el frenado. Finalmente, se resuelve el problema de la mecánica del frenado: Figura 30. Problema de frenado Aplicando equilibrio de fuerza vertical y de momentos sobre la rueda delantera: {𝑁1+𝑁2=𝑃=𝑚𝑡∗𝑔 −𝑁2∗𝐿−𝐹𝑖𝑛∗𝐻+𝑃∗𝐿1=0 Donde:  Ni=fuerzas verticales producidas en el frenado  L=distancia entre ejes (220mm)  Li=distancia en horizontal entre el eje i y el centro de gravedad (L1=109.691mm y L2=110.309mm)  H=distancia en vertical entre las vías y el centro de gravedad (88.509mm)  Fin=fuerza de inercia (mt·d) Sustituyendo los valores numéricos: {𝑁1+𝑁2=1.718∗9.81=16.853 𝑁 −𝑁2∗𝐿−𝐹𝑖𝑛∗𝐻+𝑃∗𝐿1=0→−𝑁2∗220−1.718∗32 0.6∗9.81∗88.509+16.853∗109.691→ Y simplificando ecuaciones: {𝑁1+𝑁2=16.853 𝑁→𝑁1=9.507 𝑁 𝑁2=7.346 𝑁 Hemos de tener en cuenta que Ni es realmente la fuerza que soporta el eje completo, es decir, cada rueda tiene la mitad de esos valores. Teniendo en cuenta esto, podemos obtener las fuerzas de frenado en cada rueda: {𝐹𝑓𝑟𝑒𝑛1=𝜇𝑎𝑑ℎ∗𝑁1 2=2.852 𝑁 𝐹𝑓𝑟𝑒𝑛2=𝜇𝑎𝑑ℎ∗𝑁2 2=2.204𝑁 Si se vuelve a las ecuaciones originales que gobernaban la frenada tenemos que: 𝜇𝑝∗𝐹𝑝∗𝑑𝑒𝑝=𝐹𝑓𝑟𝑒𝑛∗𝐷2→{𝜇𝑝1∗𝐹𝑝∗𝑑𝑒𝑝=𝐹𝑓𝑟𝑒𝑛1∗𝐷2 𝜇𝑝2∗𝐹𝑝∗𝑑𝑒𝑝=𝐹𝑓𝑟𝑒𝑛2∗𝐷2→𝜇𝑝2=0.7728𝜇𝑝1 Como la geometría es la misma para todas las ruedas y los pistones actúan con la misma fuerza al tratarse de un circuito único, se ajusta el sistema de manera que los coeficiente de fricción de los pistones sobre las ruedas sean diferentes cumpliendo la relación anterior. En conclusión, los pistones serán limados con el fin de mejorar ligeramente su coeficiente de fricción. 50 Figura 37. Problema movimiento rectilíneo uniforme Y se tiene como condiciones de diseño que:  La frecuencia natural debe situarse en torno a 1Hz, de manera que el TPEUS sea estable debido a vibraciones [19].  La longitud que deben tener una vez se sitúe la masa suspendida sobre ellos es de 40 mm. Al haber aplicado la hiótesis de que el centro de gravedad es simétrico geométricamente, todos los muelles soportan la misma carga. A partir de ello, aplicando estas condiciones a las ecuaciones de los muelles: {𝜔𝑛=2∗𝜋∗𝑓=√4∗𝑘𝑀𝑅𝑈 𝑚𝑠𝑢𝑠𝑝 →𝑘𝑀𝑅𝑈=10 𝑁/𝑚 Donde:  ωn =frecuencia natural del sistema  kMRU= constante de proporcionalidad de los muelles para el Movimiento Rectilíneo Uniforme  msusp=masa que se sitúa sobre los muelles (1.014kg) Por otro lado es necesario determinar la longitud inicial de estos muelles: 𝐹=𝑘𝑀𝑅𝑈∗𝑧→𝑚𝑠𝑢𝑠𝑝 4∗𝑔=𝑘𝑀𝑅𝑈∗𝑧→𝑧=2.48 𝑐𝑚 Los muelles que amortiguan gestionan este tipo de movimiento deberán tener un longitud inicial de 64.8 mm. 5.6.4.2 Problema de movimiento rectilíneo acelerado Dentro de todas las actuaciones del TPEUS, la frenada desde la velocidad máxima es el punto de diseño más exigente por lo que los muelles se diseñan de forma que sea produzca de forma adecuada. Se tiene por condición geométrica que la frenada deberá conllevar un máximo de 6.52 mm, que es la distancia minima entre ciertas partes de la geometría suspendida y el empate. De esta manera, el esquema de la frenada queda según la siguiente figura: Figura 38. Problema de frenada Donde:  kf1=valor de la constante de los muelles delanteros para el problema de frenada  kf2=valor de la constante de los muelles traseros para el problema de frenada  θ=ángulo de cabeceo  z= movimiento en el eje vertical de la masa suspendida  Ni=fuerzas verticales que se generaban en la frenada Sustituyendo valores numéricos en las siguientes ecuaciones: {𝑁1 2=𝑘𝑓1∗𝑧𝑚á𝑥→𝑘𝑓1=9.507 2∗6.52∗10−3=729.06𝑁/𝑚 𝑁2 2=𝑘𝑓2∗𝑧𝑚á𝑥→𝑘𝑓2=7.346 2∗6.52∗10−3=562𝑁/𝑚 Ahora bien, al darse un ajuste de esta manera para las constante de los muelles, se tiene que el ángulo de cabeceo del TPEUS es nulo, debido a que ambos ejes se mueve la misma distancia. Por otro lado, se pueden calcular las aceleraciones máximas que producen estos muelles teniendo en cuenta que las siguientes ecuaciones básicas del movimiento de vibración lineal: {𝑧(𝑡)=𝑧𝑚á𝑥∗𝑠𝑒𝑛 (𝜔𝑛∗𝑡) 𝑧󰇗(𝑡)=𝑧𝑚á𝑥∗𝜔𝑛∗cos(𝜔𝑛∗𝑡) 𝑧󰇘(𝑡)=−𝑧𝑚á𝑥∗𝜔𝑛2∗𝑠𝑒𝑛 (𝜔𝑛∗𝑡)=−𝑧(𝑡)∗𝜔𝑛2→𝑧󰇘𝑚á𝑥(𝑡)=𝑧𝑚á𝑥∗𝜔𝑛2 Sustituyendo la frecuencia natural por su correspondencia en de cada muelle: { 𝑧󰇘𝑚á𝑥1(𝑡)=6.52∗10−3∗√729.06 9.507 2∗9.81=0.2529𝑚 𝑠2 𝑧󰇘𝑚á𝑥2(𝑡)=6.52∗10−3∗√562 7.346 2∗9.81=0.2528𝑚 𝑠2 Como era de esperar, las aceleraciones salvo pequeños errores de redondeo en la calculadora, son iguales, lo que nos confirma de otra manera que la superficie horizontal se mantiene sin cabecera. Por ultimo, hágase notar que ambas aceleraciones superarían las pruebas dispuestas para el control de las vibraciones. 5.6.4.3 Problema de giro En esta ocasión, en vez de tener cuatro muelles actuando a la vez, serán dos los encargados de trabajar en paralelo de forma que la fuerza centrífuga permita el movimiento en el eje de las ruedas y el TPEUS se adapte a la vía. 52 Utilizando CATIA de manera auxiliar, se tiene que el radio mínimo de referencia para el que nuestro tren puede girar es de 1500 mm donde realiza un movimiento en el eje horizontal de 8.267 mm cuando el máximo permitido por la geometría del diseño es de 8.5mm (longitud incial del muelle 33.5 mm) Figura 39. Movimiento en curva Resulta trivial resolver que: 𝐹𝑐=𝑚𝑡∗𝑣𝑡2 𝑟𝑚=2∗𝑘𝑔∗𝑥𝑚á𝑥→1.718∗32 1.5=2∗𝑘𝑔∗8.267∗10−3→𝑘𝑔=623.44 𝑁/𝑚 5.7 Sistema de control El control del TPEUS es sencillo, se trata simplemente de un vehículo con la capacidad de acelerar y frenar. Consta de dos motores; uno un servomotor actuador de frenado y el otro un motor de corriente continua que propulsa el movimiento. Este control se debe poder hacer a distancia por lo que incluiremos un modulo Bluetooth que nos permite comunicarnos entre la placa y nuestro ordenador. 5.7.1 Elección placa Arduino Nano La elección de la placa de Arduino Nano se debe únicamente a necesidades de espacio y de peso. Comprobamos que tenemos los pines que se necesitarán para el montaje de ambos motores, es decir al menos dos pines de PWM. La librería de Arduino nos indica que para la placa de tamaño Nano, los pines que tiene como objetivo el comportamiento regulador o PWM son los pines 9, 10 y 11, situados en la zona de la izquierda de la placa. Figura 40. Arquitectura de pines de Arduino NANO La alimentación de la placa se realiza de la forma tradicional con 6V en su puerto de alimentación a través de pilas. 5.7.2 Montajes A continuación se muestran los montajes de los diferentes elementos del sistema de control del TPEUS. A pesar de que la placa que se utiliza a modo ilustrativo es una placa Arduino UNO, podemos ver como todos los pines utilizados los tiene también el modelo que se implementará en el vehículo. 5.7.2.1 Motor de corriente continua Para la gobernabilidad del motor será necesario un transistor MOSFET modelo IRLB8743PbF, que permite trabajar hasta a 30 V. Un transistor MOSFET no es más una resistencia que tiene la capacidad de variar su valor en función de la corriente que reciba, por ello, un montaje en paralelo con el motor permite controlar la intensidad a la que trabaja el motor de corriente continua. Además, debe situarse el MOSFET en un pin PWM (el 9 en nuestro caso) de forma que se pueda usar esta peculiaridad a modo de control. Figura 41. Montaje motor corriente continua Si se requiere más información sobre el transistor, se puede encontrar su “datasheet” en el ANEXO L. 5.7.2.2 Servomotor PQ12-R Tiene un funcionamiento similar a un transistor. Arduino debe gobernar el movimiento permitiéndole que tenga o deje de tener corriente por lo que será necesario instalarlo en otro pin PWM (en esta ocasión el número 10) 54 Figura 42. Montaje del servomotor De la misma forma que en el ANEXO L se puede comprobar la información de los MOSFET, en el ANEXO K se tienen las especificaciones técnicas del servomotor. 5.7.2.3 Módulo Bluetooth HC-05 Finalmente, deberemos montar nuestro terminal de comunicación por Bluetooth, el HC-05. Ya que se trata de un dispositivo de comunicación debemos alimentarlo a través de la placa de Arduino y unir los pines de comunicación de forma cruzada, es decir, el pin de transmitir del modulo bluettoth se une al de recepción (RX- 0) y se hace lo propio con el contrario. De esta manera: Figura 43. Montaje módulo HC-05 De izquierda a derecha tenemos los pines de VCC (pin de voltaje) , GND (pin de tierra), TX (pin para transmitir información) y RX (pin para recibir información) en el módulo HC-05. Para comunicarnos con la placa de Arduino solo es necesario instalar HyperTerminal (de licencia libre) y vincular el módulo HC-05 como cualquier otro dispositivo Blueetooth 5.7.3 Código El código que cargaremos en Arduino se presenta en las siguientes líneas. Funciona de forma que:  Cargamos la librería de servomotores de Arduino.  Declaramos los puertos 9 y 10 (de PWM) como los que vamos a usar de acuerdo a los monatajes que se acaban de ver.  Si pulsamos la letra “a”: El motor acelera y el servomotor no hace nada  Si pulsamos la letra “d”: El motor decelera sin uso del freno, el servo no hace nada  Si pulsamos la letra “s”: El motor se detiene y el servo actúa durante 769 ms (se indica en el aprtado 5.3.3 el porqué de ese tiempo). El servo se mantiene en esa posición hasta que se le vuelva a pulsar la letra “s”, de forma que, se retraiga y libere la rueda. En las siguientes líneas se pueden comprobar los comentarios del funcionamiento del código situados en sus líneas correspondientes: #include <Servo.h> Servo actuator; // llamada al servo para el código "actuator" char x; // tecla pulsada, se corresponde a cualquiera de las 3 int velocidad=0; //velocidad del motor controlada por Voltaje int PINMOTORCC=9; //pin de conexión del motor int PINACTUADOR=10; //pin del servo int flag=1; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(PINMOTORCC,OUTPUT); actuator.attach(PINACTUADOR); // Pin actuador (PWM) } void loop() { analogWrite(PINMOTORCC,velocidad); if(Serial.available()){ x=Serial.read(); switch(x){ case 'a': velocidad=velocidad+5; if (velocidad>=255){ velocidad=255; } analogWrite(PINMOTORCC,velocidad); case 'd': velocidad=velocidad-5; if (velocidad<=0){ velocidad=0; } analogWrite(PINMOTORCC,velocidad); case 's': if(flag==1){ velocidad=0; analogWrite(PINMOTORCC,velocidad); actuator.writeMicroseconds(1000); // 1ms de pulso para extender el brazo delay(769); // the actuator takes >0.769s para sacar el brazo a 15N y 15mm/s según la datasheet https://actuonix.s3.amazonaws.com/Actuonix+PQ12+Datasheet.pdf } else if(flag==0){ 56 actuator.writeMicroseconds(1000); // retraer el brazo de la misma forma delay(769); } } } } 5.8 Carrocería La carrocería no conlleva ningún cálculo matemático. En el proceso iterativo de diseño se ha utilizado de forma que variando su forma, generando huecos sobre ella… se pudieran instalar todos los sistemas de forma correcta y la condición de peso máximo que puede propulsar el motor escogido fuera suficiente. Cualquier duda sobre la carrocería se pueden consultar los planos 4-1 y 4-2 del ANEXO I. 6 IMPRESIÓN 3D l objetivo de conseguir un modelo de TPEUS que permitiera ser imprimido en 3D ha sido parte fundamental del diseño. La variación de los parámetros de impresión se ha usado de manera que el TPEUS tuviera piezas más o menos resistentes en función de las cargas típicas que tendrían que soportar. En el siguiente enlace, se puede encontrar el código que se podría cargar en una impresora BQ Witbox 2, la impresora que hay en los laboratorios de la ETSI: https://mega.nz/folder/MpVHDCLI#0YOY-tLcddI1W9Nk9kdGxQ. Nótese que la carpeta está subdividida según las partes del TPEUS y a su vez, el multiplicador que llevan los nombres indica el número de piezas que imprime ese código. 6.1 BQ Witbox 2 La impresora BQ Witbox 2 con su precio actual en 1 400€ se sitúa en el rango de las impresoras de alta calidad que aún se llegan a utilizar fuera de una gran industria, es por ello que se puede hablar sobre que una impresora de carácter semiprofesional. Esta impresora destaca en el mercado de las semiprofesionales debido a que sus especificaciones son especialmente buenas a un precio muy competitivo. Si la comparamos con una de sus competidoras en el mercado en su momento de lanzamiento, la Makerbot Replicator 2 (1850€), sin lugar a dudas la impresora de la marca española BQ arrasa. La BQ Witbox 2 nos ofrece una precisión en el eje vertical de 20 micras y un volumen de trabajo de 297x210x200 mm, mientras que la la Makerbot Replicator 2 nos confiere una precision de 100 micras y un volumen de trabajo inferior 285x153x155 mm. En ningún caso temenos cama caliente para la impresión y ambas trabajan con PLA de 1.75mm a 220ºC que se extrusiona a 0.4mm. Esto nos lleva a preguntarnos por qué si en las características principales la BQ simplemente es mejor, también tiene un precio más reducido. La explicación es bien sencilla, MakerBot es una empresa que no utiliza software libre de impresión de manera que al comprar una de sus impresoras, también pagas por el software de control. Además, la MakerBot Replicator 2 nos permite conectarla al ordenador que vaya a controlarla a través de tecnología WiFi. Por ultimo, puede ser interesante grabar el comportamiento del extrusor y este plus también nos los da la impresora americana. De todas formas, teniendo en cuenta que lo más relevante de un impresora es su calidad y capacidad de E For some people the sky is the limit, fo rus, it is just the begging. - Jacqueline Cindea - 58 impresión, la BQ Witbox 2 es una excelente opción. Para utilizarla solo será necesario incluir el código de impresión en formato GCODE en una tarjeta SD y escoger la pieza que queramos imprimir. En un último lugar, no debemos olvidar su consumo así como la vida útil estimada en horas de impresión por el fabricante. Su potencia es de 150 W y se estima que puede llegar a imprimir unas 12 000 h (unos 4 años 8h al día) con sus correspondientes mantenimientos y reposición de las piezas. Figura 44. BQ Witbox 2 6.2 Parámetros de impresión Los parámetros que determinan la solidez de una piezas no son muchos pero sí que otorgan bastante juego desde un punto de vista estructural. Podemos conseguir piezas enormemente resistentes a pesar de tener espacios vacíos en su volumen. Estos parámetros son:  Altura de capa. Determina la precisión en el eje Z. La impresora en cuestión se dedicará a ir depositando el material en capas separadas por esta distancia.  Grosor de pared. Es el parámetro más importante en cuanto a resistencia estructural se refiere, especialmente en piezas pequeñas o que tengan una dimension mucho menor que las otros. Debe ser un múltiplo entero del extrusor de la impresora que utilicemos. Con pequeños incrementos en el grosor de capa se consiguen grandes incrementos de resistencia. Los valores comunes en piezas ligeras se sitúa en 1 mm y 1.5 mm, en función de la impresora.  Grosor de pared inferior y superior. A efectos prácticos funcionan de la misma forma que el anterior parámetro. En piezas con un peso propio superiores o que vaya a soportar grandes cargas sobre ellas es recommendable que este parámetro se vea incrementando notoriamente respecto al grosor de pared común.  Densidad de relleno. Junto al grosor de pared confiere estabilidad y rigidez. Tiene gran cantidad de valores comunes, podemos tener piezas libianas con una densidad de relleno del 5% o por el contrario piezas que se decidan extrusionar pero igualmente sean macizas al 100%. A la hora de diseñar el relleno se pueden seguir muchos patrones diferentes: cúbicos, triangulares, grid…  Temperatura de impresión. A mayores temperaturas se consiguen resultados más precisos. A temperaturas elevadas, las capas se adhieren más fácilmente, se puede imprimir más rápido y el extrusor opera mejor (menos atascos). Esto es solo hasta cierto punto pues si se eleva demasiado la temperatura de impresión, es posible que la impresora no pemita su funcionamiento o que incluso se carbonice el plástico. Además, puede darse el fenómeno de corrimiento en piezas donde haya voladizos (los soportes pueden no ser suficientes).  Velocidad de impresión. Es el parámetro más importante en cuanto a la precisión en el plano OXY sobre el que se deposita cada capa. Por un lado, es inversamente proporcional al tiempo que se tardará en imprimir la pieza pero por otro, velocidades excesivamente grandes disminuyen en exceso la calidad de impresión, pudiéndose dar el caso de hundimiento de material. El hundimiento de material se produce cuando la anterior capa de impresión aún no se ha solidificado lo suficiente y al pasar el extrusor sobre ella, estas nos se adhieren correctamente “perdiéndose” esa capa y deformándose el resultado final. 6.3 Impresión de piezas. Tiempos de impresión Para llevar a cabo la impresión de las piezas, es necesario parametrizar los archivos .CADPart en el formato matemático que desarrolló Charles W. Hull en su método, el TSL. De esta manera podremos implementar la geometría en Ultimaker Cura, nuestro software de impresión. No se debe olvidar que esto se debe a que que la BQ Witbox 2 permite el control con software libre. Una vez que se cargan los modelos TSL podremos determinar cómo queremos imprimir cada pieza respecto a los anteriores parámetros. Además, es necesario que las piezas se dispongan de forma que tengan una primera capa que tenga la mayor superficie posible A continuación se presenta una tabla de cómo se imprimen las piezas según los archivos en formato GCODE que se pueden descargar desde MEGA: Pieza Altura de capa (mm) Grosor pared (mm) Grosor pared superior e inferior (mm) Densidad de relleno (%) Patrón de relleno Velocidad impresión (mm/s) Masa (g) Tiempo de impresión Rueda 0.2 1.2 1.2 20 Triángulos 60 47.5 3h 33min Eje 0.2 2 1.2 20 Triángulos 60 24 1h 32 min Soporte 0.2 1.2 2 30 Triángulos 60 24 2h 7 min Lateral 0.3 1.2 1.2 10 Triángulos 80 81 5h Soporte motor 0.2 1.2 1.2 10 Triángulos 80 227 13h 56min Depósito 0.2 1.2 1.2 20 Triángulos 60 18 1h 34 min Tapadera depósito 0.2 1.2 1.2 20 Triángulos 60 1 8 min Engranaje 1 0.2 1.2 1.2 20 Triángulos 60 1 7 min Engranaje 2 0.2 1.2 1.2 20 Triángulos 60 11 58 min Tapón 0.2 1.2 1.2 10 Triángulos 60 - 2 min Eje transmisión 0.2 2 1.2 20 Triángulos 60 13 1h 3 min Polea receptora 0.2 1.2 1.2 20 Triángulos 60 1.25 25 min Polea conductora 0.2 1.2 1.2 20 Triángulos 60 5.25 10 min Estructura motor 0.2 1.2 1.2 20 Triángulos 60 32.5 2h 23 min Tabla 3. Características de impresión de las piezas A modo de comentario es relevante remarcar que se busca gran precision en las impresiones por lo que se escoge la altura de capa minima posible de la BQ WitBox 2. Además se les confiere al menos con 3 capas de grosor a las pared (1.2mm) exceptuando el soporte que soportará las cargas de frenado y a los ejes, que se les da 2 mm. Además, las densidades dependerá de las cargas que soporten por lo que el soporte vuelve a ser la pieza con mayor densidad (30%) mientras que la carrocería tiene una densidad del 10%. Por último, se ha de tener en cuenta que la pieza del lateral tiene dimensiones superiores a las que permite 66 REFERENCIAS [1] IMechE, «IMechE,» 2018. [En línea]. Available: www.imeche.org. [2] Anónimo, «Wikipedia,» 2019. [En línea]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Modelismo_ferroviario. [3] A. Peláez, «www.diariosur.es,» 07 julio 2014. [En línea]. Available: https://www.diariosur.es. [4] B. García, «Think Big,» 06 agosto 2018. 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Available: https://sevilla.abc.es/andalucia/granada/sevillegara-granada-junio-pese-dificultades-tecnicas-201901291555_noticia.html. [12] A. L. Pita, «Coches de viajeros,» de Infraestructuras Ferroviarias, Universidad Pública de Cataluña, 2006, pp. 65-72. [13] Y. Ortiz, «Tren Galicia,» 29 enero 2017. [En línea]. Available: http://trengalicia.blogspot.com/2017/01/laserie-730-de-renfe.html. [14] J. /. P. domain, «Commons Wikimedia,» 27 agosto 2015. [En línea]. Available: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Europe_rail_electrification.png. [15] W. LIC, «Commons Wikimedia,» [En línea]. Available: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=85511561. [16] R. Ballester, Análisis modal experimental de una vía ferroviaria a escala, Sevilla: Universidad de Sevilla, 2019. [17] Anónimo, «Ingemecánica,» [En línea]. Available: https://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn63.html. [18] Izantux, «Commons Wikimedia,» [En línea]. Available: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6596735. [19] V. C. Hernando, «El sistema de suspensión,» de Diseño de una suspensión para un vehículo basada en amortiguadores magneto-reológicos, Madrid, Universidad Carlos III Madrid, 2009, pp. 6-9. 68 I. ANEXO A Carta de compromiso de Cumplimiento de normativa CARTA COMPROMISO PARA EL CUMPLIMIENTO DEL REGLAMENTO DE ETSI RAILWAY CHALLENGE , Sevilla, a de de 20 Mediante la presente hago constar que he leído y entendido las normas presentadas en el Reglamento de la competición ETSI Railway Challenge, por lo que acepto de conformidad cumplir con lo establecido en el mismo, así como con los procedimientos, instrucciones y acuerdos que emitan las autoridades de la competición. Así mismo, acepto las responsabilidades, derechos y obligaciones establecidos para las y los estudiantes en la normatividad interna y externa que rige a la competición. Nombre completo: DNI: ENTERADO II. ANEXO B Formulario de Inscripción FORMULARIO DE INSCRIPCIÓN PARA LA COMPETICIÓN ETSI RAILWAY CHALLENGE ____________, Sevilla, a _____ de ______________ de 20____ NOMBRE DEL EQUIPO: NÚMERO DE MIEMBROS DEL EQUIPO: DATOS DE CONTACTO:  NOMBRE:  CORREO:  Tlf: TUTOR DEL EQUIPO:  NOMBRE:  FACULTAD:  DEPARTAMENTO: PARTICIPANTE 1: NOMBRE COMPLETO: DNI: FECHA DE NACIMIENTO: FACULTAD: GRADO/MÁSTER: CURSO: 70 PARTICIPANTE 2: NOMBRE COMPLETO: DNI: FECHA DE NACIMIENTO: FACULTAD: GRADO/MÁSTER: CURSO: PARTICIPANTE 3: NOMBRE COMPLETO: DNI: FECHA DE NACIMIENTO: FACULTAD: GRADO/MÁSTER: CURSO: PARTICIPANTE 4: NOMBRE COMPLETO: DNI: FECHA DE NACIMIENTO: FACULTAD: GRADO/MÁSTER: CURSO: PARTICIPANTE 5: NOMBRE COMPLETO: DNI: FECHA DE NACIMIENTO: FACULTAD: GRADO/MÁSTER: CURSO: PARTICIPANTE 6: NOMBRE COMPLETO: DNI: FECHA DE NACIMIENTO: FACULTAD: GRADO/MÁSTER: CURSO: PARTICIPANTE 7: NOMBRE COMPLETO: DNI: FECHA DE NACIMIENTO: FACULTAD: GRADO/MÁSTER: CURSO: PARTICIPANTE 9: NOMBRE COMPLETO: DNI: FECHA DE NACIMIENTO: FACULTAD: GRADO/MÁSTER: CURSO: PARTICIPANTE 10: NOMBRE COMPLETO: DNI: FECHA DE NACIMIENTO: FACULTAD: GRADO/MÁSTER: CURSO: 72 PARTICIPANTE 12: NOMBRE COMPLETO: DNI: FECHA DE NACIMIENTO: FACULTAD: GRADO/MÁSTER: CURSO: PARTICIPANTE 13: NOMBRE COMPLETO DNI: FECHA DE NACIMIENTO: FACULTAD: GRADO/MÁSTER: CURSO: PARTICIPANTE 14: NOMBRE COMPLETO: DNI: FECHA DE NACIMIENTO: FACULTAD: GRADO/MÁSTER: CURSO: PARTICIPANTE 15: NOMBRE COMPLETO DNI: FECHA DE NACIMIENTO: FACULTAD: GRADO/MÁSTER: CURSO: III. ANEXO C Formulario de cesión de derechos de imágenes Yo ___________________________________________, con DNI/NIF número ________________, con domicilio en_____________ AUTORIZO: I.A la Universidad de Sevilla, con sede legal en Sevilla, para la captación, reproducción y difusión de las siguientes imágenes y/o videos sobre mi persona:  Imágenes tomadas el día de la competición  Imágenes incluidas en los informes y entregables de la misma. II. La reproducción y difusión, a través de cualquier medio de comunicación, de las mencionadas imágenes y/o vídeos, o partes de las mismas, únicamente para los siguientes usos o finalidades:  Promoción de las actividades de la Universidad de Sevilla.  Difusión en redes sociales.  Publicaciones en la página web oficial de la Universidad de Sevilla o del evento. III. Esta autorización y cesión de utilización del contenido grabado y de mi imagen, de carácter gratuito, se hace al amparo de lo dispuesto en la Ley Orgánica 1/1982, de 5 de mayo, de Protección Civil del Derecho al Honor, a la Intimidad Personal y Familiar y a la Propia Imagen, y a la misma no está sometida a ningún plazo temporal, ni restringida al ámbito nacional de cualquier país. Y para que así conste firmo la autorización en ________, a _______ Fdo. 74 IV. ANEXO D Plantilla puntuación 82 % se da el fallo en la potencia en pendiente, comentamos las otras 3 % comprobaciones m=1.5;contador1=0;contador2=0;contador3=0;contador4=0; while contador1==0&&contador2==0&&contador3==0&&contador4==0&&contador5==0 %Añadimos contador para m=<1.5kg R_rod=m*g*mu_rod; %resistencia a la rodadura R_pend=m*g*sin(alpha); %resistencia en pendienteP_nec_plano=R_rod*v; %potencia necesaria para mantener la velocidad P_nec_plano=R_rod*v; P_nec_alpha=(R_rod+R_pend)*v; %potencia necesaria en pendiente P=spline(w_motor,p_real,W_motor); %potencia dad según la w del motor Eta=spline(w_motor,eta,W_motor); %potencia dad según la w del motor %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%% POTENCIA %%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Chequeo en pendiente check_P_alpha=P-P_nec_alpha; %P<P dada? for i=1:length(check_P_alpha) if check_P_alpha(i)<0 fprintf('El motor no otorga suficiente potencia para un vehículo de %f kg a %f m/s sobre superficie inclinada %f grados\n',m,v(i),x) contador2=1; end end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%% ADHERENCIA %%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% T=spline(w_motor,t,W_motor); %par motor dado según la W del motor T_rueda=T*eta_tr/ratio_transmision; F_rueda=T_rueda*eta_tr/R/100; % Chequeo adherencia en pendiente F_adh_alpha=mu_adh*m*g*cos(alpha); check_F_adh_alpha=F_adh_alpha*ones(1,length(F_rueda))- F_rueda; contador4=0; for i=1:length(check_F_adh_alpha) if check_F_adh_alpha(i)<0 fprintf('Se produce una condición de deslizamiento para un vehículo de %f kg a %f m/s sobre una superficie inclinada %f grados\n',m,v(i),x) contador4=1; end end m=m+0.01; end %Guaradamos la masa de cada velocidad m_vector(k)=m-0.01; if abs(m_vector(k)-1.5)/1.5<0.001 contador5=1; alphamax=alpha; end k=k+1; end %% SACAMOS LOS VECTORES Y LOS DIBUJAMOS alphav=[0:0.05:alphamax*180/pi]; plot (alphav, m_vector(1:length(alphav))), grid, ylabel ('Masa del vehículo (kg)'),xlabel('Ángulo máximo (º)'), title ('Relación masaángulo de subida para v= 3m/s') motor_masa_segun_velocidad.m clear all clc %% FUNCIÓN ENCAMINADA A OBTENER LA VELOCIDAD QUE PUEDE ALCANZAR EL VEHÍCULO SEGÚN EL PESO%% %Se mantienen las condiciones de 85% de rendimiento de transmisión, subida de 1.7899º, adherencia %de 0.6 y resistencia al movimiento de 0.1. Todos valores son posibles de %ser modificados para su estudio %% DATOS DEL MOTOR%% t=[0:0.2:1.6,1.7,1.8:0.2:6,6.1]; %PAR N*cm w_motor=[51850/11:-1700/11:38250/11,3400,36550/11:-1700/11:0,0]; %rpm motor eta=[0 42 52.5 58 62 62.5 62 61 59 58 57.5 56 54 52 49 47 44 42 39.5 37 34.5 32 29,... 26 22.5 20 17 14 11 8 5 2 0]; %rendimiento en porcentaje i=[0.0675:0.045:0.4275,0.45,0.4725:0.045:1.4625]; %intesidad corriente A V=24; %Voltaje de trabajo en V p=V*i;p_real=p.*eta/100; %potencia del motor/ potencia entregada %% COMPROBACIÓN DE LA MASA MÁXIMA k=1; for x=0.1:0.05:3 %% Valores característicos de la velocidad del vehículo % m=1.5; %masa del vehículo en kg que en este caso será variable g=9.81; %gravedad m/s^2 mu_rod=0.1; %resistencia al movimiento, valor característico 84 mu_adh=0.6; %coeficiente de adherencia eta_tr=0.85; %rendimiento de la transmisión alpha=1.7899/180*pi; %pendiente v=[0:0.01:x]; %velocidad en m/s R=0.0455; %radio rueda en m ratio_transmision=1/6; %w_rueda/w_motor W_rueda=v/pi/R*30; %velocidad angular de la rueda en rad/s W_motor=W_rueda/ratio_transmision;%velocidad del motor para la velocidad %% Comprobaciones de potencia de motor y adherencia según m % Tras múltiples pruebas, para optimizar rendimiento dado que siempre % se da el fallo en la potencia en pendiente, comentamos las otras 3 % comprobaciones m=1.5;contador1=0;contador2=0;contador3=0;contador4=0; while contador1==0&&contador2==0&&contador3==0&&contador4==0 R_rod=m*g*mu_rod; %resistencia a la rodadura R_pend=m*g*sin(alpha); %resistencia en pendienteP_nec_plano=R_rod*v; %potencia necesaria para mantener la velocidad P_nec_plano=R_rod*v; P_nec_alpha=(R_rod+R_pend)*v; %potencia necesaria en pendiente P=spline(w_motor,p_real,W_motor); %potencia dad según la w del motor Eta=spline(w_motor,eta,W_motor); %potencia dad según la w del motor %Chequeo en pendiente check_P_alpha=P-P_nec_alpha; %P<P dada? for i=1:length(check_P_alpha) if check_P_alpha(i)<0 %fprintf('El motor no otorga suficiente potencia para un vehículo de %f kg a %f m/s sobre superficie inclinada\n',m,v(i)) contador2=1; end end m=m+0.01; end %Guaradamos la masa de cada velocidad m_vector(k)=m-0.05; k=k+1; end %% SACAMOS LOS VECTORES Y LOS DIBUJAMOS velocidad=[0.1:0.05:3]; hold on figure (1) plot (velocidad, m_vector,'r-') title ('Masa máxima que puede subir una cuesta de 1.7899º según la velocidad'), xlabel('Velocidad (m/s)'), ylabel ('Masa (kg)'), grid on motor_masa_segun_velocidad_y_pendiente.m clear all clc %% FUNCIÓN ENCAMINADA A OBTENER LA VELOCIDAD QUE PUEDE ALCANZAR EL VEHÍCULO SEGÚN EL PESO%% %Se mantienen las condiciones de 85% de rendimiento de transmisión, subida %variable vista en los gráficos, adherencia de 0.6 y resistencia al movimiento %de 0.1. Todos valores son posibles de ser modificados para su estudio. %Se comprueba solo la condición de potencia a raíz de los datos obtenidos %de los estudios independientes de masa y velocidad. %% DATOS DEL MOTOR%% t=[0:0.2:1.6,1.7,1.8:0.2:6,6.1]; %PAR N*cm w_motor=[51850/11:-1700/11:38250/11,3400,36550/11:-1700/11:0,0]; %rpm motor eta=[0 42 52.5 58 62 62.5 62 61 59 58 57.5 56 54 52 49 47 44 42 39.5 37 34.5 32 29,... 26 22.5 20 17 14 11 8 5 2 0]; %rendimiento en porcentaje i=[0.0675:0.045:0.4275,0.45,0.4725:0.045:1.4625]; %intesidad corriente A V=24; %Voltaje de trabajo en V p=V*i;p_real=p.*eta/100; %potencia del motor/ potencia entregada %% COMPROBACIÓN DE LA MASA MÁXIMA l=1; for X=0:1:15 %bucle de la pendiente k=1; for x=0.1:0.05:3 %% Valores característicos de la velocidad del vehículo % m=1.5; %masa del vehículo en kg que en este caso g=9.81; %gravedad m/s^2 mu_rod=0.1; %resistencia al movimiento, valor característico mu_adh=0.6; %coeficiente de adherencia eta_tr=0.85; %rendimiento de la transmisión alpha=X/180*pi; %pendiente v=[0:0.01:x]; %velocidad en m/s R=0.04559; %radio rueda en m ratio_transmision=1/6; %w_rueda/w_motor W_rueda=v/pi/R*30; %velocidad angular de la rueda en rad/s W_motor=W_rueda/ratio_transmision;%velocidad del motor para la velocidad %% Comprobaciones de potencia de motor y adherencia según m 86 % Tras múltiples pruebas, para optimizar rendimiento dado que siempre % se da el fallo en la potencia en pendiente, comentamos las otras 3 % comprobaciones m=1;contador1=0;contador2=0;contador3=0;contador4=0; %los vehículos de este tipo no pesarán menos de 1kg y en el caso de %que lo pesaran, deberíamos plantearnos cambiar el motor while contador1==0&&contador2==0&&contador3==0&&contador4==0 R_rod=m*g*mu_rod; %resistencia a la rodadura R_pend=m*g*sin(alpha); %resistencia en pendienteP_nec_plano=R_rod*v; %potencia necesaria para mantener la velocidad P_nec_plano=R_rod*v; P_nec_alpha=(R_rod+R_pend)*v; %potencia necesaria en pendiente P=spline(w_motor,p_real,W_motor); %potencia dad según la w del motor Eta=spline(w_motor,eta,W_motor); %potencia dad según la w del motor %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%% POTENCIA %%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Chequeo en pendiente check_P_alpha=P-P_nec_alpha; %P<P dada? for i1=1:length(check_P_alpha) if check_P_alpha(i1)<0 if abs((v(i1)-3)/3)<0.001 %para ir viendo cómo avanza fprintf('El motor no otorga suficiente potencia para un vehículo de %f kg a %f m/s sobre superficie inclinada de %f grados\n',m,v(i1),X) end contador2=1; end end m=m+0.01; end %Guaradamos la masa de cada velocidad m_vector(k,l)=m-0.01; k=k+1; end l=l+1; end %% SACAMOS VARIOS VECTORES Y LOS DIBUJAMOS velocidad=[0.1:0.05:3]; figure (1) plot (velocidad,m_vector(:,3),'-r*',velocidad,m_vector(:,6),'g- .',velocidad,m_vector(:,11),'b-o',velocidad,m_vector(:,16),'y-x') title ('Masa máxima según la velocidad a diferentes inclinaciones'), xlabel('v (m/s)'), ylabel ('Masa del vehículo(kg)'), grid on, legend('2º','5º','10º','15º') velocidad_segun_alpha_para_m_fijada.m clear all clc %% FUNCIÓN CONDICIÓN DE SUBIDA PARA CADA MASA%% %En esta ocasión se busca obtener la función de subida de un vehículo con %un peso específico en función de su peso, siendo v_max=3 m/s por las %condiciones de la vía %% DATOS DEL MOTOR%% t=[0:0.2:1.6,1.7,1.8:0.2:6,6.1]; %PAR N*cm w_motor=[51850/11:-1700/11:38250/11,3400,36550/11:-1700/11:0,0]; %rpm motor eta=[0 42 52.5 58 62 62.5 62 61 59 58 57.5 56 54 52 49 47 44 42 39.5 37 34.5 32 29,... 26 22.5 20 17 14 11 8 5 2 0]; %rendimiento en porcentaje i=[0.0675:0.045:0.4275,0.45,0.4725:0.045:1.4625]; %intesidad corriente A V=24; %Voltaje de trabajo en V p=V*i;p_real=p.*eta/100; %potencia del motor/ potencia entregada %% Valores característicos de la velocidad del vehículo m=1.718; %masa del vehículo en kg para la cual queremos obtener la gráfica g=9.81; %gravedad m/s^2 mu_rod=0.1; %resistencia al movimiento, valor característico mu_adh=0.6; %coeficiente de adherencia eta_tr=0.85; %rendimiento de la transmisión v=[0:0.001:3]; %velocidad en m/s->menor salto, mayor precisión R=0.0455; %radio rueda en m ratio_transmision=1/6; %w_rueda/w_motor W_rueda=v/pi/R*30; %velocidad angular de la rueda en rad/s W_motor=W_rueda/ratio_transmision;%velocidad del motor para la velocidad R_rod=m*g*mu_rod; %resistencia a la rodadura P=spline(w_motor,p_real,W_motor); %potencia dad según la w del motor Eta=spline(w_motor,eta,W_motor); %potencia dad según la w del motor %% BUCLE PARA IR BUSCANDO LAS VELOCIDADES RESPECTO AL ALPHA %Este bucle se puede quitar para obtener los valores de una sola masa %while m<3 l=1; %contador para ir guardando las velocidades según las pendientes for X=0:0.001:30 alpha=X/180*pi; %pendiente contador1=0;contador2=0;contador3=0;contador4=0; R_pend=m*g*sin(alpha); %resistencia en pendienteP_nec_plano=R_rod*v; 88 %P_nec_plano=R_rod*v; potencia necesaria para mantener la velocidad P_nec_alpha=(R_rod+R_pend)*v; %potencia necesaria en pendiente %% Comprobaciones de potencia de motor y adherencia según m - >Solo de potencia en pendiente dadas las circunstancias %Chequeo en pendiente check_P_alpha=P-P_nec_alpha; %P<P dada? contador2=0; i=1; while i<=length(check_P_alpha)&&contador2==0 if check_P_alpha(i)<0 fprintf('El motor no otorga suficiente potencia para un vehículo de %f kg a %f m/s sobre superficie inclinada %f grados\n',m,v(i),alpha) contador2=1; velocidad(l)=v(i); l=l+1; elseif contador2==0&&v(i)==3 velocidad(l)=v(i); l=l+1; end i=i+1; end end %% PINTAMOS LA GRÁFICA OBTENIDA alphav=[0:0.001:30]; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% EL CÓDIGO DE DEBAJO PINTA UNA ÚNICA GRÁFICA %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% hold on figure (1) plot (alphav,velocidad,'r-') title ('Velocidad máxima para un vehículo de masa=1.718kg según la inclinación de la cuesta'), xlabel('Grados (º)'), ylabel ('Velocidad (m/s)'), grid on %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% EL CÓDIGO DE DEBAJO PINTA MÚLTIPLES GRÁFICAS%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % hold on % figure (1) % if m==1 % plot (alphav,velocidad,'r-') % pause % elseif m==1.5 % plot (alphav,velocidad,'g-') % elseif m==2 % plot (alphav,velocidad,'b-') % elseif m==2.5 % plot (alphav,velocidad,'y-') % end % title ('Velocidad máxima para un vehículo de masa determinada según la inclinación de la cuesta'), % xlabel('Grados (º)'), ylabel ('Velocidad (m/s)'), legend('1kg','1.5kg','2kg','2.5kg'), grid on % m=m+0.5; %para pintar varias gráficas de masas %end correspondiente al while 90 IX. ANEXO I Planos del TPEUS 98 100 102 104 106 X. ANEXO J Especificaciones fuente de alimentación 114 XIV. ANEXO N Costes de fabricación