12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA
Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN VEHÍCULO SOLAR HÍBRIDO
Edgar Alonso Salazar Marín*, Juan Felipe Arroyave Londoñoº
* Profesor Asociado, Universidad Tecnológica de Pereira, Facultad de Tecnología, Colombia º Profesor Asociado, Universidad Tecnológica de Pereira, Facultad de Tecnología, Colombia
e-mail: * [email protected], º [email protected]
Palabras claves: Transporte Sostenible, energías renovables, simulación y fabricación.
RESUMEN
El transporte a nivel mundial sigue siendo una de las mayores fuentes de generación de gases efecto invernadero. Las diversas tecnologías que se han venido desarrollando en los últimos años ha pretendido diversificar los tipos de fuentes energéticas en los vehículos: hidrógeno, celdas de combustible, motores eléctricos, generación híbrida, gas natural, etc. Colombia viene experimentando una etapa de transición a las fuentes renovables de energía, en donde el trasporte sostenible se convierte en una de las líneas potenciales de desarrollo. Los vehículos eléctricos y en particular solares son una alternativa interesante en términos de sostenibilidad en transporte, no obstante el gran reto se presenta en las altas demandas de carga (par y potencia) debidas a altas pendientes, aceleraciones y arranques Este trabajo presenta el diseño y la construcción de un vehículo solar hibrido cuya fuente de propulsión principal es un sistema fotovoltaico, asistido con propulsión humana. La carrera solar del desierto de Atacama (Chile) fue el primer reto que el carro solar afrontó. Una superficie de captación máxima de 4 m2, almacenamiento de 1500 Wh, y un costo máximo de 7000 USD han sido algunas de los parámetros establecidos para competencia. No obstante, el diseño propuesto podría ser proyectado como vehículo para transportar una persona por carreteras promedio de países latinoamericanos.
INTRODUCCIÓN
Los vehículos de Propulsión humana han despertado interés desde hace muchos años; la asociación WHPVA1 (World Human Powered Vehicles Association), federación internacional que promueve el desarrollo de “vehículos de tracción humana” y organiza eventos deportivos principalmente en Europa. Si bien la mayor parte de su labor se relaciona con el desarrollo de la “bicicleta” (particularmente lareclinada, por ser la más veloz), también promueve la investigación en embarcaciones y aviones o “dirigibles” de propulsión humana.De igual manera diferentes competencias alrededor del mundo como el World Solar Challenge de Australia o Desierto de Atacama de Chile han motivado a científicos y académicos a innovar con vehículos solares e híbridos cada vez más eficientes, incentivando una cultura por el transporte sostenible.
De otro lado, actualmente el país viene creando las bases para una política que permita promover el uso de las energías renovables, esel caso de la Ley 1715 “Por medio de la cual se regula la integración de las energías renovables no convencionales al Sistema Energético Nacional”. No obstante, los intereses económicos en la explotación rentable de recursos hidráulicos y térmicos (poco consecuentes en las políticas ambientales) serán siempre una amenaza a tecnologías que usen fuentes renovables. En otras palabras se priorizarán siempre lo económico sobre lo ambiental y social. Es necesario entonces enfocar esfuerzos para desarrollar aplicaciones que muestren la verdadera utilidad que puede tener este tipo de tecnologías. Un Carro Híbrido Solar era la gran oportunidad para este objetivo. El trabajo mostrado en este artículo establece las bases conceptuales empleadas en el diseño y concepción del vehículo solar denominado XUE (que significa Dios del sol para los muiscas, tribus ancestrales de Colombia), el cual participó en la competencia internacional del desierto de Atacama en Chile y fue desarrollado a través de sinergias científico-técnicas con equipos de trabajo entre la Universidad Tecnológica de Pereira y el Servicio Nacional de Aprendizaje SENA-Dosquebradas (Colombia). Se establece a continuación una base conceptual básica acerca de la dinámica de tracción del automóvil como fundamento esencial en la selección de las mejores alternativas para el diseño analizado posteriormente.
DINÁMICA DE TRACCIÓN DE UN VEHÍCULO
Diferentes autores analizan estática y dinámicamente un vehículo en movimiento de forma muy detallada [1], [2], [3]. La complejidad radica en la variedad y cantidad de conceptos que se involucran en un análisis integral de los sistemas presentes en un vehículo. En este artículo los conceptos fundamentales implicados en la determinación de las fuerzas restrictivas presentes, se analizan unidireccionalmente; procedimiento desarrollado por diversos autores [4], [5], [6].
Cargas resistivas del vehículo en movimiento
El análisis de fuerzas resistivas determina la potencia requerida de la unidad motora en función de todos los parámetros de carga involucrados [4]. Las cargas presentes en un vehículo en dirección al movimiento son la fuerza debida a la pendiente Fθ, la fuerza debida a la rodadura Fr, la fuerza por efectos aerodinámicos Fay la
fuerza de tracción FT. En la figura 1 presenta estas cargas, W representa el peso total del vehículo y θ la
inclinación del terreno.
Figura 1: Fuerzas presentes en un vehículo en dirección al movimiento
Teniendo en cuenta la dirección al movimiento y empleando la segunda ley de Newton, se obtiene la fuerza total de tracción requerida por la carga (ecuación 1).
= + + + (1)
Las componentes implicadas corresponden a las siguientes fuerzas restrictivas:
Fuerza debida al peso propio en dirección al movimiento, que depende de la masa del vehículo y de la inclinación del terreno.
Fuerza debida a la rodadura, que depende de la fricción entre neumático-carretera y presión en neumático. Fuerza por efectos aerodinámicos, que dependen del perfil aerodinámico y de la velocidad relativa del viento en contra del vehículo.
La aceleración al igual que los efectos inerciales (en esta ecuación es lo mismo la aceleración causa las fuerza inercial por el principio de Da Lambert) influirá notablemente sobre la fuerza total requerida por la rueda de tracción. Los parámetros implicados son:
Cr: Coeficiente de rodadura, ρ densidad del aire, S: sección transversal perpendicular a la dirección de
movimiento.
Ahora, la potencia requerida será función de esta fuerza y la velocidad del vehículo (ecuación 2).
̇ = + + + × (2)
Con esta expresión se puede analizar la influencia de cada componente sobre la potencia total demandada (Figura 2).
Figura 2: Comparación de potencias debidas a cada fuerza en función de la velocidad
Asumiendo Cr= 0,015, S = 1 m2, Ka=1, m = 200 kg, sin aceleración, se comparan las curvas para una pendiente
de 10oy para terreno plano. Un vehículo que transite bajo las mismas condiciones consumirá 1890 vatios más a 20 km/h que transitando en terreno plano. En terreno plano los efectos aerodinámicos serán críticos a velocidades altas. Estos análisis permiten priorizar diferentes criterios en la toma de decisiones para el diseño. La masa del vehículo y el perfil aerodinámico son parámetros críticos en determinadas condiciones de carga. La masa es la de mayor influencia cuando se analizan además aceleraciones y vencimiento de inercias (arranques). Finalmente para el movimiento del vehículo es necesaria la aplicación de un par de tracción proveniente de la unidad motriz. Este par de tracción dependerá de la fuerza de tracción (ecuación 1) y de la rueda de tracción RT
(ecuación 3).
= + + + (3)
a) Pendiente: 10o
Valores en Vatios, a 20 km/h
Ppendiente 1890
Prodadura 161
Paerodinamica 103
Ptotal 2154 W
b) Terreno plano
Valores en vatios, a 20 km/h
Ppendiente 0
Prodadura 163
Paerodinamica 103
CONCEPTO DE DISEÑO
Las metodologías de Nigel-Cross [7] y Pahl & Beitz [8] fueron aplicadas en el desarrollo del proyecto, las cuales facilitan la búsqueda de soluciones potenciales, el trabajo en equipo y la toma de decisiones con la retroalimentación en cada una de las etapas de diseño para verificar el cumplimiento de las especificaciones. La Figura 3 sintetiza en forma global las etapas que conforman la metodología empleada para la selección de alternativas en los sistemas que integran el vehículo.
Figura 3: Etapas para selección de alternativas (Concepto de Diseño)
Como criterio inicial para la identificación de objetivos se toman las especificaciones técnicas establecidas por la competencia proyectada para participación del vehículo: Carrera Solar de Atacama (Tabla 1).
Tabla 1: Especificaciones generales del vehículo (Competencia Desierto de Atacama)
Con estas especificaciones junto con otros criterios generales que garanticen viabilidad de movilidad del vehículo en cualquier ciudad, se establece el árbol objetivo (Figura 5). Una vez analizadas de una manera transversal y detallada todos los aspectos (ventajas, desventajas) en cada uno de los sistemas planteados en el árbol objetivo, se realiza una ponderación de cada criterio para efectuar la valoración respectiva. Después de evaluar los resultados se seleccionan las siguientes alternativas (Figura 4).
Figura 4: Alternativa seleccionada
Alguno de los criterios tenidos en cuenta en todos los análisis fueron: Bajo peso, resistencia, estabilidad, eficiencia energética, disponibilidad, costo. Después de definidos los sistemas a integrar para la configuración del vehículo se procede a establecer algunos análisis para el diseño de los componentes que conforman el vehículo.
Especificaciones Valores límites
CHASIS
Dimensión máxima largo 5m y ancho 2m
Ancho de trocha 1,2 a 1,6 m
Distancia mínima entre ejes 1,5 m
Barras estructurales antivuelco
SISTEMA ELÉCTRICO
Superficie de panel máximo 4 m2
Almacenamiento máximo 1500 Wh
Luces Reglamentarias para
carretera
OTROS
Peso del piloto mínimo o en su defecto
completar con lastre 80 kg
Costo máximo del vehículo 7000 USD
Identificación de objetivos
Generación de alternativas
Evaluación de las alternativas
Figura 5: Árbol de Objetivos para diseño del vehículo Configuración
Debido a que los vehículos de tres ruedas reducen la fricción, se seleccionó un vehículo tipo Tadpole (dos ruedas adelante y una atrás) con las siguientes ventajas: Permite alcanzar velocidades relativamente altas debido a su buena estabilidad, reduce la cantidad de componentes con relación a cualquier otra configuración, se aprovecha el eje mono rueda para el uso de un motor embebido y la instalación de los frenos delanteros hace que se genere un frenado más preciso.
Chasis
El chasis fue definido como viga longitudinal portante, que define una estructura independiente en la carrocería. Se compone de una viga principal de sección en T, con barras antivuelco de protección de 1 ½ pulgada de diámetro formando la jaula de seguridad que protege al piloto en caso de un volcamiento. Las dimensiones tienen en cuenta la distancia entre el piloto al suelo de 90 cm con respecto a la visión, ancho de trocha de 1300 mm, distancia entre ejes de 2090 mm y la ubicación de paneles y baterías. La figura 6 presenta el modelo propuesto para el chasis y jaula antivuelco. El material a emplear es duraluminio (conσu= 570 MPa,σY= 505
MPa). La sección transversal de la viga portante fue seleccionada para soportar todas las cargas presentes. Para incrementar la rigidez torsional se proyectó estructura tanto adelante y atrás de la jaula antivuelco.
La validación de este chasis se realizó de acuerdo a los requerimientos descritos por la Real Federación Española de Automóviles (R.F.E. de A.) [9], para la homologación de estructuras de seguridad en vehículos de competencia. El programa de comprobaciones exigido por la institución citada, consta de 12 pruebas.
Figura 6: Modelo de chasis y simulación a tensión Suspensión
El diseño de la suspensión no detallada en este artículo es de tipo independiente de doble horquilla para cada rueda delantera y McPherson para la rueda trasera. La doble horquilla se presta bien para la calibración de cada conjunto móvil del sistema, ya que la carga es más equitativa entre las partes. Con las variaciones de los sistemas de doble horquilla, las cargas de diseño son más simplificadas y pueden ajustarse para diferentes cargas, velocidad y aplicaciones de las curvas. Los pesos de diseño de las piezas pueden reducirse y personalizar ya que los factores de carga para cada parte son más fácilmente conocidos. Una suspensión de doble horquilla permite una ganancia de comba negativa más completa a través de un máximo "vaivén" --balanceo o rebote-- a diferencia del diseño McPherson, que sólo permite la ganancia de una comba negativa en el comienzo del recorrido de vaivén. La figura 7 muestra la suspensión proyectada del vehículo.
Figura 7: Suspensión de doble horquilla Sistema de dirección
Para el diseño de la dirección (no detallada en este artículo) se aplicó concepto del trapecio de dirección, comúnmente conocido como el cuadrilátero de AcKerman, que define la geometría justa de las ruedas delanteras y directrices que deberían adoptar durante un giro. El ángulo de orientación de los brazos de la dirección se calcula teniendo en cuenta la posición del trapecio y de la ubicación del accionamiento del mecanismo. La dirección es accionada a través de la columna de dirección con un mecanismo piñón cremallera (Figura 8).
Silla y Carenado
El diseño de silla involucró análisis de ergonomía para el ocupante. Se tomaron los registros de medidas antropométricas de hombres (percentil 50%) con estaturas promedio de 1,72 m. Con el modelado del piloto en el vehículo se define la posición de pedales para tracción humana y la ubicación apropiada de la silla. La cubierta del vehículo debe garantizar fundamentalmente reducir la restricción aerodinámica lo mejor posible. De igual manera debe ser fabricada en material liviano y resistente (se proyecta la fibra de vidrio). Finalmente después de modelar y ensamblar todos los componentes se propone el siguiente prototipo (Figura 9).
Figura 9: Ubicación del piloto para diseño de silla y Ensamble proyectado
Este modelo ayuda a establecer con mayor precisión la sección transversal y estimar las fuerzas aerodinámicas que se pueden presentar. De igual manera se puede estimar la masa total del vehículo para precisar con mejor aproximación la potencia y el par de tracción requeridos.
Sistema de Tracción
La tracción del vehículo (por su naturaleza híbrido) será establecida por la combinación de dos tipos de fuente: Tracción humana y tracción eléctrica (cuya fuente son baterías alimentadas con panel fotovoltaico).
Tracción eléctrica
Para la entrega de potencia eléctrica se empleará un motor eléctrico Phoenix Brute 4840 embebido en la rueda de tracción. Se seleccionó un motor de imanes permanentes de 2 kW que, por costo, peso y demanda energética reúne condiciones aceptables para el vehículo. El motor requiere un voltaje de 48 Voltios y consume un máximo de 40 Amperios. Observando la potencia de carga proyectada (Figura 2) los 2 kW del motor no serán suficientes para la demanda energética a velocidad de 20 km/h en pendientes altas (> 10º). Por ello es necesario un aporte en potencia por parte de tracción humana, principalmente en altas exigencias de par a bajas velocidades. Como fuente eléctrica se emplearán dos baterías de litio de 15 Ah y 48 V cada una, alimentadas con dos paneles monocristalinos de 345 Wp, conectados en paralelo.
Tracción humana
La tracción humana busca satisfacer los pares presentes en arranques y en altas pendientes, que implican potencias que no son alcanzables por el motor eléctrico. La Figura 10 presenta el montaje propuesto.
Figura 10: Sistema de Transmisión propuesto (propulsión humana). Valores: Número de dientes
El piloto cuenta con 384 ´posibles combinaciones para modificar la relación de transmisión controladas desde el tensor y descarrilador, donde la ganancia máxima G es de 4,54 calculada con la ecuación 4.
38
52 39 48
38 28 11-13-15-17-20-24-28-32 11
13 15 17 20 24 28 32
Par Motriz
TM
Par de tracción TT
[1] [2]
[3] Rueda
= = = (4)
Donde TT, NTy TM, NMson pares y velocidades de rotación de rueda de tracción y motriz respectivamente.
Algunos trabajos realizados [10] determinan que una persona ejerce una carga promedio sobre el pedal de una bicicleta de 300 N a una frecuencia de rotación de 1,2 vueltas por segundo.. Con una biela comercial de 17 cm de largo puede lograrse un par motriz de = 300 N × 0,17 m = 51 Nm. A la velocidad de rotación dada,el ocupante puede entregar una potencia de 51Nm x 1,2 x 2π = 384 vatios. El aporte importante por el ocupante será un par de tracción máximo de 51 x 4,54 Nm = 231 Nm.
Construcción del vehículo
Con base en el concepto de diseño establecido, se elaboran los planos de fabricación de todos los componentes de los sistemas que conforman el vehículo. La integración de sistemas se realizan en el orden: chasis con jaula antivuelcodirecciónsuspensiones tracción silla y carenado. La figura 11 presenta una imagen del vehículo ensamblado y en competencia.
Figura 11: Vehículo ensamblado y en competencia (desierto de Atacama, nbre 2014). ANÁLISIS Y CONCLUSIONES
El carro desarrollado está proyectado como vehículo utilitario para que una persona pueda movilizarse en terrenos que puedan llegar a tener pendientes de 10º (~18%). Como ejemplo el ascenso crítico al alto de la línea (Colombia) tiene una pendiente promedio de 8,8 % (~ 5o). No obstante es bien sabido que en ciudades latinoamericanas (cordillera de los andes) es normal encontrar calles de muy alta inclinación. Tomando una pendiente de referencia (5º), las prestaciones del motor (Figura 12) muestran que satisface la demanda en potencia y en par de tracción exigidos por la carga sólo hasta 24 km/h. A partir de esta velocidad se requerirá un aporte de par y potencia por parte del conductor.
Figura 12: Prestaciones de motor y exigencias de carga (Potencias y pares de tracción) en ascenso de 5o
Diversos estudios y mediciones realizadas en este proyecto mostraron que una persona promedio ejerciendo pedaleo, puede entregar un par motriz de 50 Nm a una frecuencia de rotación de 1,2 ciclo cada segundo. Esto representa una potencia de 377 vatios que pueden complementar la potencia mecánica entregada por el motor. Sin embargo, es una potencia que podrá ser sostenida en función de la capacidad física de la persona. Por esto,
0 20 40 60 80 100 120 140 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
0 10 20 30 40 50
Pa r (N m ) Po te n ci a ( v a ti o s) km/h Potencia Eléctrica Pot mecánica Potencia carga (W) Par Motor
deberá ser estratégico para el ocupante del vehículo entregar altos pares con una buena relación de transmisión así represente bajas velocidades en la rueda de tracción. Los arranques, aceleraciones altas y las altas pendientes son los factores predominantes en las exigencias de par y potencia para un vehículo de esta naturaleza. Si se pretende que energéticamente el vehículo sea completamente sostenible, implicando fuentes renovables como el sol y la energía humana, obliga a que los diseños busquen siempre la mayor eficiencia posible. Por ello, reducir el peso manteniendo resistencia, optimizar perfil aerodinámico, usar baterías de bajo peso y usar paneles eficientes (alta potencia pico y bajo peso) son los objetivos preponderantes a tener en cuenta en la concepción de un vehículo de esta naturaleza. Los vehículos solares se han convertido en una apuesta tecnológica de proyección futura para un verdadero transporte sostenible en el mundo. Muchos incentivos a través de competencias alrededor del mundo se han puesto de manifiesto el ingenio de muchos investigadores para crear vehículos solares y vehículos de tracción humana. Un híbrido se convierte en una alternativa interesante en términos de transporte sostenible, siendo completamente viable para un desarrollo tecnológico propio y con un relativo bajo costo. El diseño y construcción del vehículo solar XUE y su participación en la Carrera Solar del desierto de Atacama en Chile, representaron para estudiantes y profesores un reto científico, tecnológico y logístico, que pusieron a prueba el conocimiento, la capacidad constructiva y la tenacidad para afrontar dificultades. Por ello, este tipo de proyectos deben ser estimulados por comunidades académicas y científicas, para que estudiantes, profesores e investigadores en general puedan aportar a la sociedad y al planeta aplicaciones verdaderamente útiles y de alto impacto.
REFERENCIAS
1. Gillespie, Thomas D. Fundamentals of Vehicle Dynamics. Society of Automotive Engineers, Inc. 1992. 2. Jazar, Reza N. Vehicle Dynamics, Theory and Application. Dept. of Mec Engineering. Springer. 2008. 3. Wong, J. Y. Theory of Ground Vehicles. Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Carleton
University, Canada. Third Edition, John Wiley and Sons, Inc. 2001.
4. Romero, C. 1995. Dinámica de Tracción del Automóvil. UTP, Facultad de Tecnología.
5. Calle, G.. Aportación y Apropiación de Metodologías de desarrollo de Vehículos para Recreación tipo Buggy. Universidad Tecnológica de Pereira. Facultad de Ingeniería Mecánica. 2012
6. María Alejandra Pulgarín Arias, Juan David Zabala Guisado, TESIS,. Diseño, construcción y pruebas de un vehículo prototipo. SUPERMILEAGE. Facultad de Ingeniería Mecánica, UTP. 2013.
7. Cross, Nigel. Engineering design methods. Strategies for product design. 4 ed. Londres: John Wiley & Son, 2008.
8. Pahl & Beitz. Engineering design (3ra Edición ed.). London: Springer, 2007.
9. Normativa de Homologación de estructuras de seguridad ante la RFA de A. Departamento técnico. 2014 http://www.rfeda.es/docs/dpto_tecnico/normativa_homologacion_estructuras_rfeda.pdf.
10. Osorio, J.S, Gómez C. S, Restrepo, S. 2007. Diseño y construcción de un pedal de bicicleta basado en sensores piezorresistivos para determinar la fuerza resultante. Rev Ingeniería Biomédica. No 2, págs. 55-60. NOMENCLATURA
FT fuerza de tracción demandada requerida para el movimiento del vehículo (N)
W peso total de vehículo en movimiento (N)
θ ángulo de pendiente (grados)
Cr coeficiente de rodadura (adimensional)
ρ densidad del aire en contacto con el vehículo (kg/m3)
S sección transversal del vehículo perpendicular a la dirección de movimiento del vehículo (m2) Ka coeficiente de penetración aerodinámica (adimensional)
V velocidad del vehículo (m/s)
m masa total del vehículo en movimiento (kg) a aceleración del vehículo (m/s2)
̇ potencia requerida en motor para movimiento del vehículo (vatios) TT par de tracción requerida para movimiento del vehículo (Nm)
TM par motriz en eje de pedales para tracción humana (Nm)
G ganancia o relación de transmisión (adimensional)
NT velocidad de rotación en eje de rueda tracción (RPM o rad/s)
