UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO
ELECTRÓNICO PARA CAMBIO SEMIAUTOMÁTICO DE
MARCHAS PARA MOTOCICLETA
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
JAIRO FRANCISCO GUERRA ARÉVALO
DIRECTOR: ING. ALEXANDER PERALVO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2017
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1721603437
APELLIDO Y NOMBRES: Guerra Arévalo Jairo Francisco
DIRECCIÓN: Upano E2-135 y Av. Maldonado
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022617500
TELÉFONO MOVIL: 0999760643
DATOS DE LA OBRA
TITULO: “Diseño e implementación de un módulo
electrónico para cambio semiautomático de marchas para motocicleta”
AUTOR O AUTORES: Guerra Arévalo Jairo Francisco
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Abril 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Peralvo Clavón Mario Alexander
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras En este proyecto se estudió el funcionamiento del mecanismo de transmisión de una motocicleta, que permite al usuario cambiar las diferentes relaciones de transmisión propias de cada motocicleta para aprovechar de mejor manera los giros del motor, ya sea usando para obtener fuerza o velocidad. Además se estudió también el sistema de encendido de la motocicleta con el fin de crear un módulo electrónico que permita realizar los cambios de marcha de una manera semiautomática a través del uso de características de ambos sistemas. Para este propósito, se comparten breves descripciones de las funciones y características de los elementos que componen tanto el mecanismo de transmisión como el sistema de encendido, con la finalidad de obtener el conocimiento e
información adecuados, y cómo pueden llegar a relacionarse uno con el otro, para su aplicación en el diseño e implantación del módulo electrónico.
Se realizó un análisis de las características de los elementos a utilizar, de esta forma se apreció su funcionamiento, para lograr diseñar e implementar el módulo deseado. El diseño se lo hizo pensando en obtener un equipo de dimensiones adecuadas para la instalación en el limitado espacio que dispone una motocicleta.
Se diseñó, programó, implementó y probó el módulo electrónico que permite realizar los cambios de marcha ascendentes en la motocicleta de manera semiautomática, sin utilizar el embrague disponible, constituyendo de esta manera un dispositivo auxiliar para aquellos conductores que pretenden tener una conducción más deportiva y versátil en sus motocicletas, reduciendo la demanda de interacción del usuario y aprovechando de mejora manera las prestaciones de la motocicleta.
PALABRAS CLAVES: Motocicleta, transmisión, encendido, semiautomático, dispositivo
ABSTRACT: This project studied the operation of the transmission mechanism of a motorcycle, which allows the user to change the different transmission ratios of each motorcycle to take better advantage of engine function, either using for strength or speed. In addition, the ignition system of the motorcycle was also studied in order to create an electronic module that allows to make the shifts in a semiautomatic way through the use of characteristics of both systems.
application in the design and implementation of the electronic module.
An analysis of the characteristics of the elements to be used was done, in this way, its operation was appreciated, in order to design and implement the desired module. The design was made with the thought of obtaining a device with suitable dimensions for its installation in the limited space that a motorcycle has.
It was created, programmed, implemented and tested the electronic module that allows to make the upward changes in the motorcycle transmission in a semi-automatic way, without using the available clutch, constituting in this way an auxiliary device for those drivers who want to have a more sporty and versatile driving in their motorcycles, reducing the demand of interaction of the user and taking advantage of improves the performance of the motorcycle.
KEYWORDS Motorcycle, transmission, ignition,
semiautomatic, device.
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, GUERRA ARÉVALO JAIRO FRANCISCO, CI 172160343-7 autor del proyecto titulado:
Diseño e implementación de un módulo electrónico para cambio semiautomático de marchas para motocicleta previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 18 de abril de 2017
DECLARACIÓN
Yo JAIRO FRANCISCO GUERRA ARÉVALO, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
Guerra Arévalo Jairo Francisco
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e
implementación de un módulo electrónico para cambio semiautomático
de marchas para motocicleta”, que, para aspirar al título de Ingeniero
Automotriz fue desarrollado por Jairo Francisco Guerra Arévalo, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
Ing. Peralvo Clavón Mario Alexander M.Sc.
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Dedico este trabajo, especialmente a mis padres, que siempre me dieron su apoyo absolutamente incondicional, siendo mi motivación para luchar por alcanzar mis metas, gracias por siempre brindarme su respaldo para llegar a este punto y jamás haber dejado de confiar en mí.
AGRADECIMIENTO
A mis Padres, por guiarme, apoyarme y ser el gran motivo de alcanzar este y cualquier logro futuro que llegase a obtener.
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... 1
ABSTRACT ...2
1. INTRODUCCIÓN. ...3
2. METODOLOGÍA. ...7
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...10
3.1 SELECCIÓN DE MOTOCICLETA ... 10
3.2 SELECCIÓN MICRONTROLADOR ... 11
3.3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN ... 12
3.4 COSTO ... 19
3.5 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO. ... 20
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...25
4.1. CONCLUSIONES. ... 25
4.2. RECOMENDACIONES. ... 26
5. BIBLIOGRAFÍA. ...27
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ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Análisis de Placas Arduino Disponibles ………
………….en el mercado ecuatoriano ... 11
Tabla 2. Índices absolutos máximos Atmega 328 ... 12
Tabla 3. Especificaciones del dispositivo... 19
Tabla 4. Costo del dispositivo ... 19
Tabla 5. Resultado de Mediciones en Fuente de Alimentación ... 20
Tabla 6. Resultado de Medición de Tensión en la señal de entrada ... 20
Tabla 7. Patrones de conducción ruta urbana ... 22
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ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Motocicleta utilizada para el proyecto ... 10
Figura 2. Comparación Arduino Uno vs Arduino Nano ... 12
Figura 3. Fusible e interruptor de alimentación del módulo electrónico ... 13
Figura 4. Ubicación del pulsador ... 13
Figura 5. Módulo relé y terminales de cable de señal de salida ... 14
Figura 6. Esquema eléctrico señal de entrada ... 15
Figura 7. Flujo de señales electrónicas ... 15
Figura 8. Diagrama de flujo y seudocódigo ... 16
Figura 9. Simulación y esquema del circuito en Fritzing ... 16
Figura 10. Montaje de placa en caja ... 17
Figura 11. Conexión y ubicación del módulo en la motocicleta ... 17
Figura 12. Diagrama eléctrico del circuito interno del dispositivo. ... 18
Figura 13. Diagrama eléctrico de los elementos periféricos del circuito. ... 18
Figura 14. Gráfica Tensión –Tiempo en señal eléctricas ... 21
Figura 15. Trayectoria ruta urbana ... 22
Figura 16. Trayectoria ruta carretera ... 23
Figura 17. Calificación ruta carretera ... 24
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ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1 Norma técnica ecuatoriana NTE INEN 2656:2012 ... 29
Anexo 2 Datasheet Arduino UNO ... 44
Anexo 3 Datasheet pulsador electrónico ... 45
Anexo 4 Datasheet relé ... 46
Anexo 5 Esquema eléctrico módulo relé ... 48
Anexo 6 Programación Arduino UNO ... 49
Anexo 7 Diagrama circuito eléctrico motocicleta ... 50
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RESUMEN
En este proyecto se estudió el funcionamiento del mecanismo de transmisión de una motocicleta, que permite al usuario cambiar las diferentes relaciones de transmisión propias de cada motocicleta para aprovechar de mejor manera los giros del motor, ya sea usando para obtener fuerza o velocidad. Además se estudió también el sistema de encendido de la motocicleta con el fin de crear un módulo electrónico que permita realizar los cambios de marcha de una manera semiautomática a través del uso de características de ambos sistemas.
Para este propósito, se comparten breves descripciones de las funciones y características de los elementos que componen tanto el mecanismo de transmisión como el sistema de encendido, con la finalidad de obtener el conocimiento e información adecuados, y cómo pueden llegar a relacionarse uno con el otro, para su aplicación en el diseño e implantación del módulo electrónico.
Se realizó un análisis de las características de los elementos a utilizar, de esta forma se apreció su funcionamiento, para lograr diseñar e implementar el módulo deseado. El diseño se lo hizo pensando en obtener un equipo de dimensiones adecuadas para la instalación en el limitado espacio que dispone una motocicleta.
Se diseñó, programó, implementó y probó el módulo electrónico que permite realizar los cambios de marcha ascendentes en la motocicleta de manera semiautomática, sin utilizar el embrague disponible, constituyendo de esta manera un dispositivo auxiliar para aquellos conductores que pretenden tener una conducción más deportiva y versátil en sus motocicletas, reduciendo la demanda de interacción del usuario y aprovechando de mejora manera las prestaciones de la motocicleta.
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ABSTRACT
This project studied the operation of the transmission mechanism of a motorcycle, which allows the user to change the different transmission ratios of each motorcycle to take better advantage of engine function, either using for strength or speed. In addition, the ignition system of the motorcycle was also studied in order to create an electronic module that allows to make the shifts in a semiautomatic way through the use of characteristics of both systems.
For this purpose, brief descriptions of the functions and characteristics of the elements that compose both the transmission mechanism and the ignition system are shared, in order to obtain the adequate knowledge and information, and how they can relate to each other, in order to use its application in the design and implementation of the electronic module.
An analysis of the characteristics of the elements to be used was done, in this way, its operation was appreciated, in order to design and implement the desired module. The design was made with the thought of obtaining a device with suitable dimensions for its installation in the limited space that a motorcycle has.
It was created, programmed, implemented and tested the electronic module that allows to make the upward changes in the motorcycle transmission in a semi-automatic way, without using the available clutch, constituting in this way an auxiliary device for those drivers who want to have a more sporty and versatile driving in their motorcycles, reducing the demand of interaction of the user and taking advantage of improves the performance of the motorcycle.
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1. INTRODUCCIÓN.
Debido a que las motocicletas son vehículos cuyos mandos requieren de la atención y coordinación de las cuatro extremidades del cuerpo humano y cuyo mecanismo para el cambio de velocidades, a pesar de tener cierta similitud con el de los automóviles, es común que los conductores menos experimentados enfrenten problemas en la conducción de las motocicletas debido a que la ubicación de los mandos, acelerador y embrague, que a diferencia de los automóviles, donde ambos los encontramos a manera de pedal, en la motocicletas encontramos el acelerador en una empuñadura giratoria, de la cual se encarga la mano derecha y el embrague a manera de palanca, gobernado por la mano izquierda, ambos ubicados en el manillar que además se encarga de comandar el sistema de dirección, es decir, hace las veces del volante en un automóvil, a todo esto sumado la necesidad de la intervención del pie izquierdo, que debe ir accionando la palanca de cambio de velocidades hacia arriba o hacia abajo dependiendo de las condiciones de conducción, todo esto de manera simultánea, estas condiciones generan ciertas complicaciones debido al alto nivel de demanda de atención y coordinación al conductor.
Con el aumento de la velocidad de la motocicleta propio de la conducción en carretera, las condiciones previamente mencionadas necesitaran aún más atención y demanda de coordinación para el usuario. Si bien con la práctica y conducción cotidiana, un usuario poco experimentado puede llegar a ser un hábil conductor, su conducción se verá desventajada por la pérdida momentánea de par, que se da al realizar el cambio de marcha, debido a la interrupción de aceleración y accionamiento del embrague, lo cual se reflejará en reducción leve de velocidad de la motocicleta, que si bien es casi imperceptible, significa no aprovechar completamente las prestaciones de una motocicleta, puesto que se tarda más tiempo en ganar velocidad.
4 cuando el cambio de marchas sea descendente, puesto que en este punto el objetivo principal no es la reducción de demanda de atención del usuario y se lo puede realizar directamente con el embrague, de esta manera el dispositivo constituye un elemento auxiliar en la conducción de la motocicleta, volviéndola más automatizada, sin perder la potestad del usuario de elegir entre una marcha y otra.
El objetivo general del proyecto fue diseñar e implementar un módulo electrónico para cambio semiautomático de marchas para motocicleta. Los objetivos específicos fueron: el primero, realizar una investigación bibliográfica acerca los principios de funcionamiento del sistema de transmisión de una motocicleta con el fin de utilizarlos para desarrollar el sistema electrónico. El segundo objetivo específico fue analizar las diferentes posibilidades para el diseño del módulo electrónico según los principios de funcionamiento de la motocicleta. Como tercer objetivo específico se estableció, seleccionar los materiales y el software adecuados para la construcción del módulo electrónico en base a los fundamentos teóricos. En el cuarto objetivo específico se fijó implementar el Módulo Electrónico para cambio semiautomático de marchas en una Motocicleta. Como quinto y último objetivo específico se estableció realizar pruebas de funcionamiento del módulo electrónico luego de su implementación en la motocicleta.
El presente proyecto se lo realizó en una motocicleta, por lo cual es necesario definir que es una motocicleta. Una motocicleta es un “Vehículo automóvil, de dos ruedas, con uno o dos sillines y, a veces, con sidecar” (Real Academia Española, 2017). Para la normativa ecuatoriana una motocicleta es un vehiculo motorizado para uso terreste, caracterizado por tener dos ruedas, corresponde a la subcategoría L1 y L2 de vehiculos , L1 para aquellas con cilindrada menor a 50 cm3 y que puedan alcanzar una velocidad maxima de 50 km/h y L2 para cilindadras mayores a 50 cm3 o con velocidad máxima mayor a 50 km/h. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, 2012). Dicha norma se puede encontrar detallada en el anexo 1.
5 marcha , puesto que una vez que el motor alcance el par motor adecuado no podra acoplarse bruscamente a los elementos de transmisión, debido a que por las condiciones del movimiento ofreceran gran resistencia y es nesario desacoplar la transmisión del movimiento del motor hacia la caja de cambios momentaneamente para crear una ventana en la que se reduzca el par y se pueda realizar el cambio de marcha. (Paz, Manual de Automóviles, 2006). Entendiéndose como par motor el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de transmisión de potencia en cada instante de funcionamiento, producto de la fuerza ejercidad por los gases en el momento de la explosión y distancia entre el eje de la biela y el del árbol motor. (MotorGiga, 2017) El embrague puede tener disintas clasificaciones de acuerdo a su constitución, refrigeración y demas caracteristicas, sin embargo el más utilizado en la mayoria de motocicletas es el embrague multidisco en baño de aceite debido a su mayor compacidad y reducida inercia, que son caracreristicas importantes para poder ejecutar cambios veloces y suaves al mismo tiempo, importante para una conducción cómoda y segura. (Paz, Motocicletas, 2003). La caja de cambios es el mecanismo, encargado de aprovechar al máximo la potencia del motor, llevando a cabo dicha tarea a través de un conjunto de engranajes encargado de desmultiplicar la velocidad del motor con diferentes relaciones de transmisión propias de cada marcha que son seleccionadas por el usuario y le permiten adaptarse a las necesidades de la conducción en cada momento. (Oliveros, 2012). De esta manera la caja de cambios pretende obtener el par ideal, aprovechando asi el rendimiento del motor, al tiempo que mantiene la potencia en una zona optima. (Luque, 2004) En la motocicletas las marchas (número de relaciones) por lo general son 6, las cuales estan comandadas por una palanca de cambio en el pie izquierdo, siendo necesario para cambiar ascedentemente una marcha , levantar la palanca , y en sentido contrario para descender una marcha, no disponen de marcha hacia atrás y el Neutro es un pequeño espacio entre la primera marcha y la segunda. (Paz, Motocicletas, 2003). Es decir, la caja de cambios es secuencial, lo que permite seleccionar marchas de un solo movimiento en la palanca, y para seleccionar, por ejemplo, quinta marcha es necesario pasar por todas las anteriores. (Raúl, 2017)
6 encendido propia de cada motor. (Oliveros, 2012). A pesar de que el método descrito previamente no es el único es el más utilizado debido a su capacidad de entregar energía de manera excepcionalmente rápida y precisa. (Payri, 2014). En las motocicletas actualmente se usa el Sistema CDI (Capacitor Discharge Induction) que es una variante del sistema de encendido electrico, teniendo este, caracteristicas más electrónicas, puesto que no es une bobina con devanado y núcleo de hierro la encargada de la inducción de corriente, sino que en este caso, esta tarea la lleva a cabo un condensador, es decir, la descarga no es inducctiva, sino capacitiva. Presenta notables ventajas como la carencia de mantenimiento y el ajustado control del avance al encendido (Paz, Motocicletas, 2003)
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2. METODOLOGÍA.
Para la realización de éste proyecto se realizó una adecuada recopilación bibliográfica que permitió encontrar información importante e idónea para cumplir con los objetivos propuestos. Mediante esta recopilación se logró establecer los materiales más adecuados tanto físicos como digitales para la construcción del dispositivo.
A continuación se detallan los elementos de software utilizados para el desarrollo del dispositivo creado en el proyecto:
Arduino IDE: corresponde al entorno de programación de la placa física de Arduino, permite programar las diferentes entradas y salidas de la placa, así como también llevar a cabo el proceso de corte de encendido.
Fritzing es un software de diseño electrónico, que permitirá crear el esquema eléctrico del proyecto y simular el mismo.
Para la selección de los materiales y elementos físicos que forman parte de la construcción del proyecto se realiza una comparación de características necesarias y las disponibles en mercado con el fin de obtener los resultados deseados para el resultado final del dispositivo electrónico, los elementos utilizados son:
Placa de programación Arduino, datasheet disponible en anexo 2.
Pernos
Pulsador electrónico, datasheet disponible en anexo 3.
Resistencia Eléctrica.
Capacitor
Fuente de alimentación Arduino
Caja metálica para Circuitos
Zócalos
Terminales (plugs)
Screw Shield para Arduino Uno
Cables para Arduino
Fusible
Portafusible
Cables 18 AWG
Módulo Relé Arduino, datasheet disponible en anexo 4, esquema eléctrico disponible en anexo 5
Estaño
8
Cinta Termofusible
Velcro Doble faz
Masilla epóxica
Las herramientas utilizadas en la construcción e implementación del dispositivo electrónico se detallan a continuación:
Llaves de tuercas
Destornilladores de estrella y plano
Cautín
Estilete
Taladro
Multímetro
Osciloscopio
El diseño del dispositivo tomó forma a partir de la placa Arduino la cual ofrece diferentes pines en los que se pueden conectar diversos elementos electrónicos, el dispositivo fue conectado a la fuente de alimentación para Arduino, pasando por un pequeño circuito a manera de “corta picos” formado por un diodo zener.
La fuente de alimentación, junto con el circuito zener fueron conectados a la batería de la motocicleta con la finalidad de contar con una fuente estable de alimentación. Se lo equipó además con un switch, para encender o apagar completamente todo el sistema y un fusible, como método de protección en caso de sobrecargas.
Para la obtención de la señal electrónica de entrada se realizó una pequeña perforación en el caucho protector de la palanca de cambios con el fin de ubicar un pulsador electrónico, además fue reforzado con masilla epóxica para evitar futuros desprendimientos, para enviar la señal electrónica que corte el encendido de la motocicleta se utilizó un módulo relé de Arduino, debido a sus características especiales que le permiten adaptarse de manera cómoda a la placa sin necesidad de realizar grandes modificaciones, este módulo recibe la señal desde la placa y se encarga de interrumpir el cable negativo del circuito del sistema de encendido que se dirige a la bobina de alta tensión.
9 La placa y los elementos fijados a ella fueron asegurados a una lámina de acrílico con el fin de tener una base para todo el circuito, posteriormente todo este conjunto fue colocado dentro de una caja metálica para circuitos electrónicos con las medidas adecuadas, de esta manera se tiene un dispositivo completo con todos sus elementos principales dentro de él, apto para ser manipulado con facilidad y colocado donde se desee.
Para la programación del módulo electrónico se utilizó el software propio de Arduino, el cual es de uso gratuito y es amigable con el usuario, permitiendo así establecer los parámetros adecuados para llevar a cabo las tareas de semiautomatización de la motocicleta y grabarlos en el microcontrolador.
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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 SELECCIÓN DE MOTOCICLETA
El proyecto comenzó con la selección de la motocicleta en la cual se realizaría el procedimiento de implantación del módulo electrónico, teniendo así en cuenta desde un inicio las dimensiones y especificaciones que el producto final debería tener, sin dejar de lado la universalidad y versatilidad del mismo, que podrá ser implantado en cualquier motocicleta después de realizar ligeras modificaciones para que se ajusten a las especificaciones de la motocicleta que elijamos. La motocicleta utilizada para el proyecto fue una de la marca Shineray, modelo XY200II del año 2010, la cual es de tipo deportiva, motor mono cilíndrico de 200 cc, 5 marchas y encendido CDI, idónea para el desarrollo del proyecto. Se realizó un mantenimiento general a la motocicleta, previo al desarrollo del proyecto, en la figura 1 se puede apreciar la motocicleta mencionada.
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3.2 SELECCIÓN MICRONTROLADOR
Para la selección del microcontrolador encargado de realizar el procedimiento de recepción de señal de entrada y emisión de señal de salida para el corte electrónico de encendido se utilizó una placa de desarrollo Arduino, la cual cuenta con un microcontrolador instalado en ella y diferentes pines soldados a ella para facilitar el uso del microcontrolador y cuyo IDE es gratuito y de fácil uso, por lo que es idónea para el proyecto.
Arduino cuenta con diferentes modelos de placas de desarrollo, sin embargo, en el mercado ecuatoriano se puede encontrar tres modelos principales que son comercializados normalmente en las tiendas dedicadas a productos electrónicos, para lo cual se realizó una comparativa de las principales características de estas placas con el fin de elegir la adecuada para la creación del módulo electrónico y que esta cumpla a cabalidad con todos los requerimientos buscados para el proyecto. En la tabla 1 se presenta la comparativa realizada.
Tabla 1. Análisis de Placas Arduino Disponibles en el mercado ecuatoriano
Nombre Procesador Voltaje de Entrada Operativo Velocid ad CPU Entrada/ Salida Analógic a Digital IO/PW M Dimensiones (mm)
Nano ATmega168 ATmega328
P
5 V / 7-9 V 16 MHz 8/0 14/6 17.78x43.18
Uno ATmega328 P
5 V / 7-12 V 16 MHz 6/0 14/6 53.3x68.6
Mega ATmega2560 5 V / 7-12 V 16 MHz 16/0 54/15 50.8x101.6
12 Una vez realizada la comparación entre los modelos de las placas se decidió utilizar Arduino Uno debido a sus dimensiones adecuadas, si bien el Arduino Nano es más pequeño, sus pines tienes que ser adaptados de manera distinta y su voltaje de entrada operativo es menor a la fuente de la motocicleta que también será la fuente de alimentación del dispositivo. Ver figura 2.
Figura 2. Comparación Arduino Uno vs Arduino Nano (Ysoota, 2017)
3.3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN
Una vez seleccionada la placa adecuada para el proyecto se procedió a realizar las conexiones adecuadas para alimentar al Arduino, para lo cual se colocó terminales adecuados en los cables de alimentación que sean compatibles con los bornes de la batería de la motocicleta, además se instaló un fusible que protege a todo el sistema de posibles sobrecargar, cuyo valor se fijó en 500 mA, tomando en cuenta que un valor superior a la corriente máxima soportada para Vcc y GND por el microcontrolador Atmega 328, que viene instalado en la placa de Arduino Uno y cuyos índices máximos de trabajo podemos encontrar en la tabla 2, por otro lado se tomó en cuenta la disponibilidad del mercado nacional y la protección con la que ya cuenta la placa de Arduino debido a la fuente de alimentación.
Tabla 2. Índices absolutos máximos Atmega 328 Temperatura de Operación -55°C to +125°C Temperatura de Almacenamiento -65°C to +150°C Voltaje en cualquier Pin, excepto RESET
con respecto a Tierra
-0.5V to VCC+0.5V Voltaje en RESET con respecto a Tierra -0.5V to +13.0V Máximo Voltaje de Operación 6.0V
Corriente DC para I/O pin 40.0mA Corriente DC para Vcc y GND 200.0mA
13 La alimentación del módulo es independiente del resto de la motocicleta, es decir, la fuente de alimentación va conectada directamente a la batería de la motocicleta luego de pasar por un interruptor ubicado en el tablero de instrumentos, que permite la conexión o desconexión de todo el módulo según el usuario lo desee. Ver figura 3.
Figura 3. Fusible e interruptor de alimentación del módulo electrónico
Para la obtención de la señal de entrada, es necesario instalar un sensor que indique de manera rápida y clara el momento en el que el conductor de la motocicleta quiere realizar el cambio, para lo cual se tomó como referencia la interacción con la palanca de cambios. Existen diversos sensores que permitirían generar esta señal, ya sean: potenciómetros, sensores de fuerza, sensores magnéticos, etc. Sin embargo, con la finalidad de simplificar el diseño del módulo electrónico para mantener su compatibilidad con otras motocicletas se utilizó un pulsado colocado en el refuerzo de caucho de la palanca de cambios, el mismo nos permitirá obtener una señal en el momento preciso que el pie del conductor haga contacto firme con la palanca, su instalación se realizó mediante pequeñas perforaciones en el caucho que permitan el paso de los cables a los pines del pulsador y todo el conjunto fue reforzado con masilla epóxica para dar firmeza y rigidez a la ubicación del pulsador y evitar a futuro señales erróneas. Ver figura 4.
14 Una vez obtenida la señal de entrada que será procesada por Arduino uno, el mismo generará una señal de salida para cortar momentáneamente la ignición con la finalidad de reducir la resistencia mecánica del sistema y permitir cambiar ascendentemente de marcha sin necesidad accionar el embrague, para lo cual dicho corte se producirá cuando se presione el pulsador es decir, cuando se inicie el cambio de la posición ascendentemente de la palanca de cambios. La señal emitida por el Arduino será recibida por un módulo relé, alimentado de la fuente del circuito para obtener mayor estabilidad, dicho módulo es adecuado para el uso con Arduino, que permite su fácil conexión y compatibilidad, por otro lado sus características de funcionamiento permiten usarlo como un interruptor controlado para abrir un circuito independiente, que en este caso será la ignición de la motocicleta. Es necesario que a los cables del módulo se les acople los terminales adecuados para que se conecte con libertad reemplazando el cable negativo original del sistema de baja tensión del sistema de ignición como se puede apreciar en la figura 5.
Figura 5. Módulo relé y terminales de cable de señal de salida
15 “bouncing” o rebote, característico del uso de pulsadores, el cual genera falsos positivos, de esta manera se aumenta la precisión de la lectura de la señal y asegurando resultados confiables. El esquema de la resistencia pull down y capacitor colocados para el pulsador se lo puede encontrar en la figura 6.
Figura 6. Esquema eléctrico señal de entrada
Se realizó el proceso de programación para cortar momentáneamente el encendido de manera electrónica, el flujo que siguen las señales electrónicas en el dispositivo se puede apreciar en la figura 7. Para realizar dicho corte en el sistema de encendido en el lugar adecuado se tomó como referencia el circuito eléctrico y electrónico específico del modelo de motocicleta utilizado para de esta manera ubicar con facilidad los componentes, este circuito se muestra en el anexo 6.
Figura 7. Flujo de señales electrónicas
Entrada de señal
•Realizado por: Pulsador en palanca de Cambios
Recepción y
procesamiento de
Señal
•Realizado por: Placa Arduino
Generación y envió
de Señal de Corte
•Realizado por: Placa Arduino
Interrupción del
Circuito de
Encendido
•Realizado por: Módulo16 El diagrama de flujo y seudocódigo se encuentran en la figura 8 y su código de programación Arduino se muestra en el anexo 7.
Figura 8. Diagrama de flujo y seudocódigo
Para comprobar el correcto funcionamiento del circuito y la programación se utilizó el software libre Fritzing, el cual permitió de manera sencilla ensamblar el circuito en protoboard de manera virtual y analizar su esquema, ver figura 9.
17 Posteriormente a este proceso se montó tanto, la placa de Arduino con el shield sobre una lámina de acrílico y en conjunto con la fuente de alimentación y el módulo relé fueron ubicados en la caja metálica para circuitos, cuyo material de construcción es aluminio, ideal para evitar la entra de interferencias electromagnéticas y recubierta de pintura metálica. Además cada elemento fue debidamente conectado a los terminales de un zócalo con la finalidad de facilitar su conexión a los elementos periféricos, tal como se puede apreciar en la figura 10.
Figura 10. Montaje de placa en caja
Finalizado el montaje de los principales elementos se procedió a realizar las conexiones respectivas de todos los elementos periféricos del circuito: cables de alimentación, cables de pulsador, cables de módulo relé, hacia los terminales del zócalo complementario al ya instalado en la caja metálica de tal manera que para conectar de manera adecuada todos los pines y puertos de Arduino a los elementos periféricos, únicamente fue necesario empatar ambos zócalos y se obtuvo una conexión, fija, segura y confiable. Para finalizar la implementación del dispositivo se lo ubicó en el espacio bajo el asiento de la motocicleta, correspondiente a un depurador de aire cancelado. Ver figura 11.
18 Una vez terminado todo el proceso de implantación del dispositivo en la motocicleta y previó a realizar las pruebas de funcionamiento se elaboró un diagrama eléctrico del circuito interno, con la finalidad de tener una referencia clara para llevar a cabo mediciones. Ver figura 12.
Figura 12. Diagrama eléctrico del circuito interno del dispositivo.
De la misma manera con la finalidad de tener una referencia clara para la revisión del dispositivo, se elaboró un diagrama eléctrico de los elementos periféricos del circuito. Ver figura 13.
19 Las especificaciones del dispositivo se encuentran resumidas en la tabla 3.
Tabla 3. Especificaciones del dispositivo
Dimensiones
Largo 120 mm
Ancho 95 mm
Altura 65 mm
Peso 200 g
Especificaciones Eléctricas
Voltaje de Alimentación DC 12-15 V
Corriente de Alimentación 200mA
3.4 COSTO
El costo del diseño e implementación del dispositivo se determinó mediante la
suma del costo individual de cada uno de sus elementos, los cuales se resumen en la tabla 4.
Tabla 4. Costo del dispositivo
Elemento Precio
Arduino Uno $15
Fuente de alimentación $8
Caja metálica $5
Screw shield $5
Módulo relé $2
Resistencias y elementos electónicos $2
Cables Arduino $1
Zócalos y conectores $5
Cables eléctricos $3
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3.5 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO.
Para verificar el correcto funcionamiento del circuito fue necesario realizar dos tipos de pruebas: prueba estacionaria, prueba de conducción.
La prueba estacionaria consistió en encender la motocicleta y a continuación encender el módulo electrónico, sin movilizar el vehículo, verificando que la motocicleta funcione de manera adecuada y sin ninguna interrupción, para posteriormente llevar a cabo las mediciones de tensión y corriente en la fuente de alimentación del dispositivo. Ver tabla 5.
Tabla 5. Resultado de Mediciones en Fuente de Alimentación
Tensión Corriente
14,83 V 85mA
El valor de la tensión difiere del valor teórico de 12 V, debido a que este valor depende del estado de aceleración del motor, es decir, aumenta conforme el motor gira más rápido.
Subsiguientemente se realizó la medición de tensión en los elementos que componen la señal de entrada, tanto en el pulsador, como en la resistencia con la finalidad de verificar su lógica inversa cuando el pulsador este activado (circuito cerrado) y cuando no lo esté (circuito abierto), dichos datos se pueden observar en la tabla 6.
Tabla 6. Resultado de Medición de Tensión en la señal de entrada
Circuito Cerrado
Circuito Abierto Pulsador 4,86V 0V
Resistencia 0 4,85V
21 generando la tensión adecuada para ser leída por la placa de Arduino como un 1 lógico.
Como prueba final de la fase estacionario se procedió a verificar las gráficas de tensión- tiempo, generadas por la señal de entrada (izquierda) y de salida (derecha), mediante el uso de un osciloscopio. Ver figura 14
Figura 14. Gráfica Tensión –Tiempo en señal eléctricas
Con base a la graficas obtenidas se verificó el correcto funcionamiento y programación del dispositivo trabajan correctamente, si bien la señal de entrada, presenta interferencias electromagnéticas, en un inicio, son corregidas por la descarga del capacitor, constituyendo de esta manera el tiempo de referencia para el corte de encendido, por otro lado se puede comprobar que esta característica no afecta a la señal de salida, verificando así la correcta generación de ondas cuadradas, características de la electrónica digital.
22 y en al área técnica automotriz. Estableciendo dos tipos de rutas, para su calificación, ruta urbana y carretera, cada una con distintas características que permitieron evaluar el funcionamiento del dispositivo desde un punto de vista más amplio y completamente práctico.
La ruta urbana consistió en un recorrido de 2.0 Km, desde la calle Upano, hasta el Centro Comercial El Recreo, ubicado en el Av. Maldonado, cuya trayectoria se puede apreciar en la figura 15.
Figura 15. Trayectoria ruta urbana
Para la realización de esta prueba los conductores, respetaron ciertos parámetros de conducción, con el fin de homogenizar y estandarizar las pruebas, evitando de esta manera resultados poco objetivos. Los patrones de conducción se resumen en la tabla 7.
Tabla 7. Patrones de conducción ruta urbana
Velocidad promedio 30 km/h
Rpm promedio para cambio de marcha 4500 rpm
23 Forestal, este recorrido presentó notables diferencias como menor tráfico, mayor velocidad de circulación, mayor visibilidad. La trayectoria de la ruta de carretera se la puede apreciar en la figura 16.
Figura 16. Trayectoria ruta carretera
Los patrones de conducción para la ruta carretera se los puede apreciar en la tabla 8.
Tabla 8. Patrones de conducción ruta carretera
Velocidad promedio 70 km/h
Rpm promedio para cambio de marcha 4500 rpm
24 En la figura 17 se representa la información obtenida de la calificación del dispositivo, correspondiente a la ruta urbana, revelando que la mejor puntación se obtiene en el último criterio, correspondiente al cambio de marcha de cuarta a quinta.
Figura 17. Calificación ruta carretera
En la figura 18 se muestran los resultados obtenidos para le calificación de la ruta carretera, revelando resultados mucho más uniformes para todos los criterios.
Figura 18. Calificación ruta carretera
Tomando como referencia los resultados de las calificaciones obtenidas de cada uno de los enunciados y contrastando dichos resultados con la información obtenida en la primera etapa de pruebas se puede afirmar que el dispositivo cumple con su funcionamiento correctamente y se encuentra en un estado funcional.
8
9 9 9
10
9 9 9
10 10
9 9 9
10 10
10
9
10 10 10
0 2 4 6 8 10 12
Evaluador 1 Evaluador 2 Evaluador 3 Evaluador 4 Evaluador 5
Calificación ruta urbana
Criterio 1 Evaluador 2 Evaluador 3 Evaluador 4 Evaluador 5
10
9
10
9
10
10 10 10
9
10
1010 1010 1010 1010 1010
0 2 4 6 8 10 12
Calificación ruta carretera
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4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
4.1. CONCLUSIONES.
Al analizar el tipo y particularidades del sistema tanto de encendido como de transmisión de la motocicleta fue posible tener una idea clara del tipo de módulo que se va a diseñar, permitiendo de esta manera ajustarse a las necesidades del modelo.
El uso de Software Libre tanto Arduino como Fritzing, facilitaron la correcta programación y simulación del módulo, sin necesidad de recurrir a prototipos previos, ahorrando de esta manera tiempo y dinero.
Se determinó que a pesar de los diversos tipos de sensores disponibles en el mercado, el pulsador fue el mejor método de generar la entrada electrónica para el módulo, sobre todo debido a su facilidad de instalación.
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4.2. RECOMENDACIONES.
Usar el módulo electrónico una vez que la motocicleta haya alcanzado una temperatura de funcionamiento adecuada y de preferencia en carretera cuando la conducción sea de manera continua, pues así presentará mejor funcionamiento, no se recomienda su uso en perímetro urbano debido a los límites de velocidad y alto tránsito.
Precautelar el funcionamiento del módulo, se recomienda que el conductor tenga experiencia previa al mando de motocicletas, de esta forma no solo se garantiza la durabilidad del mismo, sino que también se podrá aprovechar sus características de forma óptima.
Apagar el módulo cuando se apague la motocicleta, de esta manera se evita que consuma batería y nunca encenderlo antes de encender la motocicleta, podría recibir sobrecargas.
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5. BIBLIOGRAFÍA.
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Casale, J. (2012). Introducción a la programación. Buenos Aires: Dálaga.
Herrador, R. (2009). Guía del Usuario de Arduino. Córdoba Argentina: ITI Sistemas.
Herrador, R. E. (13 de noviembre de 2009). Guía de Usuario de Arduino.
Córdova: Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0.
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28 Raúl, R. (17 de Enero de 2017). Universidad de Navarra. Obtenido de http://www.felixcastro.com/variosf/docapuntes/cambiossecuenciales.p df
Real Academia Española. (12 de Enero de 2017). Diccionario de la Lengua Española. Obtenido de http://dle.rae.es/?id=PwKxWOu
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6. ANEXOS
Anexo 1
Norma técnica ecuatoriana NTE INEN 2656:2012
44
Anexo 2
45
Anexo 3
46
48
Anexo 5
49
Anexo 6
50
Anexo 7
Programación Arduino UNO
// Modulo Electrónico para cambio semiautomático de marchas para motocicleta
int estado = 1; //Le decimos a Arduino que tipo de variable es
int aux=0;
void setup(){
pinMode(8, INPUT); //declaramos el Pulsador Ubicado en la palanca como ENTRADA
pinMode(11, OUTPUT); //declaramos el Relé como SALIDA
}
void loop(){
estado = digitalRead(8);
if(aux==HIGH and estado==HIGH){
digitalWrite(11,HIGH);
}
else{
aux=LOW;
estado = digitalRead(8); //lee el estado del Pulsador (presionado o no)
if(estado== HIGH and aux==LOW){ //si está presionado
51 digitalWrite(11,LOW); //Activa el Interruptor del Relé
delay(80); //Corta momentáneamente el encendido
digitalWrite(11,HIGH); //Activa el encendido
}
else {
digitalWrite(11,HIGH); //si no está presionado el pulsador, el encendido trabaja noramalmente
}
}
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