CENTRO DE ESTUDIOS DISEÑO Y FABRICACIÓN
ASISTIDOS POR COMPUTADORA
CAD/CAM
CÁLCULO DEL ESTADO TENSIONAL - DEFORMACIONAL DE UNA LLANTA DE BICICLETA MODELO DT SWISS RR 511 SOLICITADA POR UNA CARGA DE IMPACTO.
TESIS PRESENTADA EN OPCIÓN AL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO.
Autor: Yoanier Íñiguez Bermúdez
Tutores: M.Sc. Pavel Michel Almaguer Zaldivar Ing. Raúl José García Expósito.
HOLGUÍN, 2019
PENSAMIENTO
Los científicos estudian el mundo tal como es; los ingenieros crean el mundo
que nunca ha sido
Theodore Von Karman.
DEDICATORIA
A mis padres y hermanos por darme su apoyo, cariño en todo momento y no dejarme rendir en ningún momento.
A mi mujer por darme todo su amor, su comprensión, su apoyo y ayuda.
A todos mis compañeros por su apoyo y ayuda en todo el transcurso de mi carrera.
AGRADECIMIENTOS
A Dios por escuchar mis oraciones de ayuda.
A mis tutores Pavel Michel Almaguer Zaldivar y Raúl José García Expósito por ser mis guías en esta tesis.
A mis antiguos compañeros de carrera que me ayudaron y me han seguido ayudando en todas las materias.
A todo el colectivo de profesores que me han enseñado en el transcurso de toda mi
vida como estudiante.
RESUMEN
La respuesta mecánica de las llantas de las ruedas de bicicletas solicitadas por cargas de impacto es necesaria conocerla para el buen funcionamiento del equipo. En este trabajo se modela una rueda de bicicleta de carreras modelo DT SWISS RR 511. Para obtener el modelo de la llanta fue necesario realizar un croquis de la sección transversal a partir de una imagen de la misma. Se generó una curva de tiempo para simular la acción de la carga dinámica que actuaba de forma radial. Mediante la simulación numérica empleando el Método de los Elementos Finitos se obtuvo el estado tensional deformacional en la llanta.
Las tensiones máximas que ocurren en el modelo son el momento del impacto. Estas tienen menor valor que el límite elástico del material, por lo que la llanta evaluada resiste las cargas aplicadas. También se determinó la resiliencia de la llanta mediante un algoritmo de integración numérica. El valor obtenido fue 58,06 kJ/m3 que es menor que el determinado para el material que fue de 400 por lo que la llanta estudiada recupera sus dimensiones ante la carga de impacto aplicada.
ABSTRACT
The mechanical response of bicycle wheel rims requested by impact loads is necessary to know for the correct performance of the equipment. In this work, a model DT SW RR 511 racing bicycle wheel is modeled. To obtain the model of the rim, it was necessary to sketch the cross section from an image of the same. A time curve was generated to simulate the action of the dynamic load that acted radially. By means of the numerical simulation using the Finite Element Method, the stress-strain state in the rim was obtained. The maximum stresses that occur in the model are the moment of impact. These have a lower value than the yield limit of the material, so the evaluated rim resists the applied loads. The resilience of the rim was also determined by a numerical integration algorithm. The value obtained was 58,06 kJ/m3, which is lower than that determined for the material that was 400 kJ/m3, so the studied rim recovers its dimensions after applied the impact load.
Índice
INTRODUCCIÓN ... 1
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS TEÓRICOS ... 6
1.1 Introducción al capítulo ... 6
1.2 Las bicicletas, su origen y características. ... 6
1.2.1 Breve historia de la bicicleta en Cuba ... 9
1.2.2 Tipos de bicicletas ... 10
1.2.3 Partes que componen la bicicleta ... 11
1.2.4 Fuerza motriz en la bicicleta... 13
1.3 Rueda de la bicicleta ... 15
1.3.1 Partes que conforman la rueda ... 16
1.4 Normativa para los ensayos de las ruedas... 33
1.5 Método de los elementos finitos (MEF) para el cálculo de estructuras. ... 35
CAPÍTULO II. CÁLCULO DEL ESTADO TENSIONAL – DEFORMACIONAL EN LA LLANTA MODELO DT SWISS RR 511 ANTE UNACARGA DE IMPACTO ... 38
2.1 Introducción al capítulo ... 38
2.2 Modelo geométrico de la llanta DT SWISS RR 511 y sus componentes. ... 38
2.2.1 Materiales de los componentes de la rueda. Propiedades. ... 46
2.3 Fuerzas que actúan sobre la rueda. ... 47
2.3.1 Fuerzas Estáticas ... 48
2.3.2 Fuerzas Dinámicas ... 48
2.4 Análisis no lineal por el MEF de la llanta DT SWISS RR 511... 50
2.5 Análisis de resultados. ... 56
CONCLUSIONES ... 62
RECOMENDACIONES... 63
BIBLIOGRAFÍA ... 64
ANEXOS ... 66
INTRODUCCIÓN
El transporte terrestre es el que se realiza sobre la superficie terrestre. La gran mayoría de transportes terrestres se realizan sobre ruedas que podrían ser automóviles, autobuses, motocicletas, camiones, entre otros. Ya en el periodo precolombino los Incas poseían un rudimentario pero eficiente sistema de caminos interconectados a lo largo y ancho de su imperio, por el cual trasladaban distintos tipos de mercaderías. A pie o en lomo de llamas, sus mercaderías lograban llegar a su destino. A veces a través de puentes de cuerdas. En el siglo XX la formación e instalación de grandes corporaciones de fabricantes ha dado un gran impulso a la producción de vehículos tanto para el uso particular como para el transporte público y de mercancías, así como la exportación a terceros países (Gabriela Briceño V., 2018).
El transporte no fuera tan eficiente y cómodo sino fuera por la invención de la rueda. Es difícil saber exactamente cómo y cuándo se construyó la primera rueda. Como los objetos de madera, material del que se hacían las primeras ruedas, no suelen durar mucho tiempo, solo hay información sobre vehículos primitivos por medio de representaciones en cerámicas y relieves. Las ruedas se emplearon para el transporte en Mesopotamia y Egipto algunos milenios antes de Jesucristo. Las primeras que se construyeron eran macizas o con tres o cuatro radios; más tarde fueron perfeccionándose y se crearon nuevas variedades. A partir de la revolución industrial y con la aparición de la máquina de vapor, la rueda encontró multitud de nuevas aplicaciones. Hacia el año 1860 se inventó la cadena de transmisión y a finales del siglo pasado el cojinete o rodamiento de bolas (Bitácora Grupo Rodado, s/f).
Es uno de los inventos fundamentales en la historia de la humanidad (actualmente uno de los inventos más importantes), por su gran utilidad en la elaboración de alfarería, y también en el transporte terrestre, como componente fundamental de diversas máquinas. El conocimiento de su origen se pierde en el tiempo, pues nadie sabe quién la invento y sus múltiples usos han sido esenciales en el desarrollo del progreso humano: sumerios, chinos, entre otros. La rueda, seguramente, merece un lugar de honor en cualquier lista de grandes inventos. Una civilización industrializada es inconcebible sin ella. Su invención era tal vez inevitable, pero tardó bastante en aparecer al lado del ser humano. Muchas civilizaciones, incluyendo los incas y los aztecas, no tenían vehículos de ruedas. La más antigua evidencia
del uso de la rueda (un pictograma de Sumeria, en el moderno Irak) data del año 3500 antes de Cristo. A partir de allí, el invento se difundió rápidamente por el antiguo mundo Occidental (Gabriela Briceño V., 2018).
Desde siempre el hombre ha buscado mejorar la movilidad y por tanto es difícil precisar el momento de la invención de la bicicleta ya que la historia de la bicicleta nos aporta indicios poco fiables sobre esta cuestión, ya que si bien se conoce con precisión y claridad el origen y la evolución de la bicicleta moderna que podríamos situar, como veremos en breve en el capítulo I, hacia principios del siglo XIX. La información y estudios disponibles sobre este tema no nos aclararan mucho sobre la existencia de la bicicleta en épocas anteriores.
Podemos afirmar que la bicicleta moderna, la ideó, construyó y difundió un alemán, el barón Drais von Sauerbronn y desde ese momento la bicicleta vino para quedarse, ya que desde 1816, año del primer prototipo construido, hasta nuestros días, esa bicicleta primigenia, ha ido evolucionando ininterrumpidamente al compás de los avances tecnológicos y de las necesidades sociales que han demandado su uso (Carla Borràs, 2018).
Dentro de los disímiles usos que brinda la bicicleta, su utilización para el deporte ha tomado gran importancia. El ciclismo se ha convertido en un deporte que aglutina a multitudes. La historia del ciclismo se ha visto enaltecida con eventos longevos de relevancia mundial como El Tour de Francia [13], La Vuelta a España [14] o El Giro de Italia [15], por solo mencionar algunos. Las bicicletas que se utilizan en estas competiciones a menudo sufren daños producto a los accidentes que soportan los ciclistas. Dentro de los principales componentes que sufren graves daños cuando ocurre un accidente, se encuentran las ruedas o llantas.
Es por ello que conocer las principales características o parámetros de las ruedas para su posterior estudio en aras de minimizar las tensiones y deformaciones a las que están expuestas estas ruedas a la hora de un impacto, se torna de vital importancia.
A nivel mundial las principales investigaciones que abordan estos temas no son abundantes.
Liz Madrid en su investigación propone un diseño y construcción de ruedas de perfil para bicicletas de carretera y triatlón.
La UCI (Unión de Ciclismo Internacional), ente que regula todo el accionar del ciclismo de competición a nivel mundial, realiza un conjunto de pruebas.
En nuestro país no se ha llevado a cabo ninguna investigación relacionada con el estado tensional-deformacional de las llantas de las bicicletas de competición. El conocimiento de las tensiones y desplazamientos que surgen en las llantas permite juzgar sobre el comportamiento mecánico de estos elementos para la toma de decisiones en las revisiones que se realicen. Por estas razones es que se hace necesario conocer los parámetros de una rueda de bicicleta.
Situación problémica
Las llantas de ruedas de bicicletas de carreras, durante su funcionamiento sufren deformaciones por la acción de las cargas externas, por lo que es necesario conocer el estado tensional – deformacional para tomar decisiones en las revisiones realizadas.
Problema de investigación
¿Como determinar el estado tensional – deformacional de las llantas DT Swiss RR 511 ante la acción de una carga de impacto?
Objeto de estudio
Las llantas de ruedas de bicicletas de carreras DT Swiss RR 511.
Campo de estudio
El comportamiento mecánico de las llantas de bicicletas de carreras DT Swiss RR 511.
Hipótesis
Si se logra simular la acción de una carga de impacto sobre la llanta DT Swiss RR 511 entonces será posible conocer el estado tensional - deformacional de la llanta.
Objetivo general
Evaluar el estado tensional - deformacional de la llanta DT Swiss RR 511 ante la acción de una carga de impacto mediante la simulación numérica.
Tareas de investigación
• Realizar una búsqueda bibliográfica sobre los ensayos realizados a las ruedas.
• Modelar la llanta DT Swiss RR 511.
• Caracterizar el material utilizado en la fabricación de la llanta DT Swiss RR 511.
• Simular el estado tensional-deformacional de la llanta ante una carga de impacto.
• Calcular la resiliencia de la rueda.
• Evaluar el impacto económico, medioambiental y para la defensa de los resultados.
• Redactar el informe de investigación.
Métodos de investigación
• Método histórico - lógico: Se emplea para establecer el estado del arte del tema de investigación, como marco teórico referencial, permitiendo conocer que se ha investigado sobre el tema objeto de estudio y que leyes o aspectos generales se abordan en el fenómeno que se estudia.
• Método de inducción - deducción: A partir del estudio de diferentes casos particulares se llega establecer aspectos que son generales y leyes empíricas, que constituyen puntos de partida para inferir o confirmar formulaciones teóricas, de las cuales se deducen nuevas conclusiones lógicas que son sometidas a prueba de acuerdo con las generalizaciones empíricas.
• Método de análisis y síntesis: Se utiliza para identificar los factores principales y sus características que influyen en el fenómeno que se estudia, así como su interrelación.
• Método de modelación: Se crea un modelo científico (como instrumento de la investigación) de carácter material o teórico, el cual se utiliza para hacer una reproducción simplificada de la realidad.
• Método computacional: Se utiliza durante la asistencia informática (Tecnología CAD/CAM/CAE) para asistir en el cálculo y diseño de los parámetros que intervienen en la tecnología para la obtención de la fundición sintética.
• Método de consulta de expertos: Se usa en al entrevistar a expertos en el tema a investigar dentro de la Universidad de Holguín.
Aportes de la investigación
Se aporta un procedimiento para evaluar mediante la simulación numérica el estado tensional – deformacional de las llantas DT Swiss RR 511 ante la acción de cargas
dinámicas. Los resultados obtenidos se pueden aplicar a cualquier modelo de ruedas realizando las correcciones pertinentes.
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS TEÓRICOS 1.1 Introducción al capítulo
En el presente capítulo se muestra cómo surgió las bicicletas como una necesidad del hombre al tener que transportarse de un lugar a otro, de ellas veremos sus componentes y funciones que realizan cada uno. Principalmente la rueda de la bicicleta que es el objetivo principal de esta tesis. Su estudio por el método de elementos finitos para el cálculo estructural de la rueda.
1.2 Las bicicletas, su origen y características.
La bicicleta es un vehículo de transporte personal cuyos componentes básicos son dos ruedas generalmente de igual diámetro y dispuestas en línea, un sistema de transmisión a pedales, un cuadro metálico que le da la estructura e integra los componentes, un manillar para controlar la dirección y un sillín para sentarse El diseño y configuración básico de la bicicleta ha cambiado poco desde el primer modelo de transmisión de cadena desarrollado alrededor de 1884 (Carla Borràs, 2018).
La paternidad de la bicicleta se le atribuye a el barón de Karlsrue, Drais von Sauerbronn quien inventó la “draisina” o “laufmaschine”, que significa máquina de correr, pensando que la mejor manera de auto-transportarse es optimizar el movimiento que se realiza al caminar o correr. Para ello quería construir un artefacto que permitiera aumentar la zancada y además disminuir las pérdidas energéticas debidas la variación de la altura del centro de gravedad del cuerpo. Los inconvenientes que presentaba este invento que llegó a fabricarse para algunos nobles de la época, eran, en primer lugar, el equilibrio y el peso además del coste. Poco más tarde, un comerciante inglés apostó por este producto y consiguió reducir el peso y hacer la conducción más eficiente para venderlo como un caballo de entretenimiento, hobby horse en inglés (ver figura 1.1), (Carla Borràs, 2018). (Liz, 2016)
Figura 1.1 Hobby Horse. (Carla Borràs, 2018)
En 1821 apareció una “laufmaschine” dotada con un sistema de palancas, tal como se muestra en la Figura 1.2, que permitía el movimiento de la rueda trasera con un mecanismo del tipo biela-manivela, en el que, balanceando unos accionamientos con las piernas hacían girar la rueda trasera mediante el cigüeñal que incorporaba. Este invento se atribuye a un herrero escocés llamado Kirpatrick McMillan. El siguiente paso sería acoplar pedales a la rueda delantera; esto se llevó a cabo por varias personas, algunas de las cuales no le dieron importancia al invento; fue Pierre Lallement quien mostro en París el invento que había realizado al incorporar a una “laufmashine” unos pedales en la rueda delantera. A partir de entonces hubo inventores como es el caso James Starley, que optimizó el concepto de la bicicleta para conseguir disminuir el peso y aumentar la velocidad hasta llegar al biciclo de rueda alta que se muestra en la Figura 1.3 (Carla Borràs, 2018).
Figura 1.2 Biciclo con mecanismo de impulsión. (Carla Borràs, 2018)
Figura 1.3 Biciclo de rueda alta (Carla Borràs, 2018)
Sin embargo, el avance más significativo llegó al pensar que para no depender del tamaño de la rueda para aumentar la velocidad máxima habría que incorporar una cadena, que además permitía una posición del centro de gravedad más baja con lo que se tenía una bicicleta más segura. Fue John Kemp Starley quien, con ayuda de un compañero suyo, Sutton, desarrolló un prototipo utilizando la idea de volver a la concepción originaria de la bicicleta con las ruedas de igual tamaño para hacerla más estable. El éxito de esta nueva bicicleta (ver Figura 1.4), bautizada como Rover, fue inmediato, de manera que hubo que aumentar la fábrica para adaptarse a la demanda (Carla Borràs, 2018).
Figura 1.4 Bicicleta Rover. (Carla Borràs, 2018)
La bicicleta ha constituido desde su aparición en el mercado un fenómeno social. En un principio era concebida como un objeto de lujo, ya que únicamente podían permitírselo las clases adineradas. Más adelante cuando empezó la proliferación de las bicicletas hubo que hacer frente al conflicto que causaba el incluir un nuevo elemento en la vía urbana, que en ocasiones se trató incluso de prohibir el uso de bicicletas (Carla Borràs, 2018).
Finalmente hay que destacar que las causas de la expansión del uso de la bicicleta han sido del tipo técnico como por ejemplo el desarrollo de nuevos componentes como neumáticos con cámara de aire, frenos, cambios entre otros. Pero el factor determinante fue la normalización y unificación que facilitó la implementación de un sistema de producción en serie que hizo disminuir notablemente el precio de la bicicleta. Pero también se ha potenciado el uso de la bicicleta a lo largo de toda su evolución mediante la creación de carreras que trataban de batir nuevos récords de velocidad. Tampoco podemos dejar de lado todas las circunstancias económicas y sociales que han incrementado el número de bicicletas; estas son las crisis del petróleo, el crecimiento de la conciencia del cambio climático o de la importancia del ejercicio físico (Carla Borràs, 2018).
1.2.1 Breve historia de la bicicleta en Cuba
En el año 1880, cuando el Sr. Claudio Graña, comerciante español, introdujo la primera bicicleta en Cuba (ver figura 1.5), un pesado vehículo con una rueda motriz delantera, a la altura de una persona y una muy pequeña rueda trasera, la novedosa máquina causó admiración y un lógico revuelo (EcuRed, 2019).
Figura 1.5 Primera bicicleta en Cuba llamada “High Wheeler”. (EcuRed, 2019)
En el año 1895, la afición por el ciclismo permitió que se crearan los primeros clubes ciclísticos en medio de los preparativos para la Guerra por la Independencia de Cuba (EcuRed, 2019).
En el año 1889 se realiza la primera competencia oficialmente de la que se tenga noticias, a la distancia de 100 millas, entre el 9 y el 12 de diciembre de este propio año, se celebró la que se considera como precursora de las carreras por etapas, una prueba de 450 Km, disputada entre las ciudades de Cienfuegos en el centro sur del país y La Habana su capital.
La simiente estaba echada, de 1885 a 1889 se iniciaron las publicaciones especializadas:
"El ciclista" y "El biciclista", las cuales contribuyeron a elevar el auge de este deporte. Antes de que finalizara el siglo, el crecimiento por la bicicleta aumentó y se habían constituido clubes de ciclistas en la propia Cienfuegos y en las ciudades de Cárdenas, Sagua la Grande, Güines, Matanzas y La Habana (EcuRed, 2019).
1.2.2 Tipos de bicicletas
En las últimas décadas han surgido diversos tipos de bicicleta teniendo en cuenta la función para la que están diseñadas. Aunque los tres principales tipos son:
La bicicleta doméstica (figuras 1.6 y 1.7). La mayoría de bicicletas en el mundo son de este tipo. Son dedicadas a tareas cotidianas, especialmente para realizar numerosos trayectos cortos en ciudad. Son bicicletas bastante cómodas debido a su peso, asiento y manillar.
Otro modelo que se encuentra en las grandes ciudades son las plegables (https://labicicleta.info).
Fig. 1.6 Bicicleta doméstica. (WIKIPEDIA, 2018)
Fig. 1.7 Bicicleta doméstica neerlandesa. (WIKIPEDIA, 2018)
La bicicleta de montaña (figura 1.8). Se caracteriza por unos componentes más resistentes a los impactos del terreno y por estar provista, en algunos casos, de un sistema de suspensión (https://labicicleta.info).
Figura 1.8 MTBCROSS COUNTRY29. (Catálogo Bianchi, 2017)
La bicicleta de carreras (figura 1.9). Este tipo de bicicleta está diseñada y construida para la velocidad, tiene una batalla corta, ángulos de asiento y frontales muy verticales que permite al ciclista adoptar una posición de aerodinámica y un modo más eficaz de transmitir la potencia a los pedales (https://labicicleta.info).
Figura 1.9 Bicicleta de carreras. (Catálogo Trinx, 2018) 1.2.3 Partes que componen la bicicleta
Existen diferentes tipos de bicicletas, pero básicamente todas son similares, aunque los componentes difieran en calidad, diseño y peso, así como en la agilidad y modalidad de uso. En orden de importancia, una bicicleta está formada por los siguientes componentes (ver figura 1.10):
Figura 1.10 Diagrama de partes o componentes de una bicicleta. (Wikipedia, 2018)
Cuadro: El más común, es en forma de rombo, también llamado de diamante o de doble triángulo. Los clásicos eran de hierro o acero; hoy en día, cuando es acero el cromo- molibdeno se denomina «Cro-Moly» o «Cromoly». También pueden ser de aluminio o de titanio, o incluso de fibra de carbono entre otros materiales. (Wikipedia, 2018)
Horquilla: Pieza formada por el tubo de dirección que sujeta el buje de la rueda delantera;
puede ser fija o con suspensión. (Wikipedia, 2018)
Ruedas: Después del cuadro, las ruedas son el elemento de mayor importancia para el rendimiento de la bicicleta. Son los únicos elementos que están en contacto con el suelo y los que le proporcionan la tracción necesaria para el movimiento. Cuando las ruedas giran, cada una de ellas actúa como un giroscopio, lo que ayuda al equilibrio y estabilidad de todo el conjunto. (Wikipedia, 2018)
Neumático: El neumático es parte de la rueda y es la combinación de una cubierta protectora y una cámara inflable instalada alrededor de la llanta que le da rigidez y sirve de estructura al eje de rodadura de la bicicleta. (Wikipedia, 2018)
Transmisión: Incluye los cambios de marcha externos tipo desviadores (dérailleur) delanteros y traseros y cambios internos en el buje de la rueda trasera, ambos manejados por palancas de cambio. (Wikipedia, 2018)
Palanca de cambio: Cambiadores de marchas incluyen cambiadores de puño y cambiadores de pulgar entre otros. (Wikipedia, 2018)
Frenos: Incluye las palancas de freno y sistemas de frenos. (Wikipedia, 2018)
Potencia: La potencia (o tija del manillar), en conjunto con la horquilla delantera, son los componentes de una bicicleta que proporcionan una interfaz entre sí con el tubo frontal del cuadro. (Wikipedia, 2018)
Manillar: Los manillares varían entre una anchura de 52,5 cm a 60 cm (21 a 24 pulgadas), los anchos permiten un control a velocidades bajas mientras los estrechos son mejores para velocidades altas, los estrechos además son convenientes en la ciudad para escurrir entre los automóviles. Un tipo de manillar se denomina «cola de ballena». Se distingue de los demás en que carece de los extremos libres que caracterizan al manillar tradicional.
(Wikipedia, 2018)
Sillín: De los sillines existentes en el mercado, unos son delgados y ligeros para reducir el peso mientras otros modelos anatómicos están diseñados para el confort. (Wikipedia, 2018) Tija de sillín: Se denomina tija al tubo de soporte del sillín. (Wikipedia, 2018)
1.2.4 Fuerza motriz en la bicicleta
Sistema motriz de una bicicleta es el conjunto de elementos de tracción de una bicicleta.
Éste está compuesto por la cadena, los piñones, los platos, las bielas, los ejes y los pedales.
La cadena transmite la fuerza proveniente del empuje de los pedales hacia el eje de la rueda trasera. (Manuel Torres Búa, s/f)
Podríamos agrupar los elementos que forman los mecanismos y sistemas mecánicos en tres grandes bloques (figura 1.11):
1. Bloque motriz o bloque de entrada: recibe la fuerza motriz, (hidráulica, humana, mecánica y otras), y pone en marcha el movimiento del sistema mecánico.
2. Bloque transmisor o Mecanismo propiamente: recibe, transmite y modifica el movimiento y las fuerzas que le proporcionan los dispositivos del bloque de entrada, condiciéndolos hasta el bloque de salida.
3. Sistema receptor o sistema de salida: Son el conjunto de elementos conducidos que reciben el movimiento y las fuerzas del bloque transmisor y realizan el trabajo en la salida del sistema para el cual el sistema mecánico fue concebido.
Figura 1.11 Diagrama de transmisión del movimiento. (Manuel Torres Búa, s/f)
Si analizamos el mecanismo de una bicicleta vemos que el elemento motriz, (elemento de entrada), lo representan los pedales, que recibe una fuerza motriz por parte de las piernas del ciclista. El elemento conducido, (elemento de salida), es la rueda trasera, pues es lo que recibe finalmente el movimiento. El mecanismo de la bicicleta es un sistema de ruedas dentadas y cadenas que permite comunicar la fuerza motriz proporcionada por el ciclista desde el plato de los pedales al plato de la rueda trasera donde están los piñones. (Manuel Torres Búa, s/f)
Tipos de movimiento.
En estos mecanismos los elementos motrices y los movimientos conducidos pueden tener tres tipos de movimiento. (Manuel Torres Búa, s/f)
- Movimiento circular o rotatorio, como el que tiene una rueda.
- Movimiento lineal, es decir, en línea recta y de forma continua.
- Movimiento alternativo, es un movimiento de ida y vuelta, de vaivén. Como el de un péndulo.
Grupos de mecanismos.
Teniendo en cuenta los tres tipos de movimiento, los mecanismos se pueden dividir, básicamente, en dos grandes grupos. (Manuel Torres Búa, s/f)
a) Mecanismos de transmisión del movimiento.
b) Mecanismos de transformación del movimiento.
Los mecanismos de transmisión son aquellos en los que el elemento motriz (o, de entrada) y el elemento conducido (o de salida) tienen el mismo tipo de movimiento.
Por ejemplo, el mecanismo de la bicicleta es de transmisión puesto que el elemento motriz tiene movimiento circular (los pedales) y el elemento conducido tiene también movimiento circular (la rueda trasera).
Los mecanismos de transformación son aquellos en los que el elemento motriz y el conducido tienen distinto tipo de movimiento.
Por ejemplo, el mecanismo que hace subir una persiana con una manivela es de transformación, puesto que el elemento motriz (la manivela) tiene movimiento circular, pero el elemento conducido (la persiana) tiene movimiento lineal.
1.3 Rueda de la bicicleta
Una rueda de bicicleta (figura 1.12) es una rueda diseñada para bicicletas. Está compuesta de un neumático (cubierta) de caucho; en cuyo interior va una cámara, también de caucho;
una llanta (aro generalmente metálico sobre el que se monta el neumático), un buje central y los radios que conectan ambos. (El País, Aguilar, Madrid, 1992)
Figura 1.12 Rueda de una bicicleta. (Campagnolo, 2018)
En Latinoamérica los radios también se conocen como rayos, y las ruedas se refieren al aro metálico de la rueda. Las bicicletas normales usan 36 radios. Para conseguir ruedas más ligeras se usan ruedas y bujes de 20, 24, 28 y 32 radios, y para un tándem o una
bicicleta de reparto se usan ruedas de 40 y hasta 48 radios. Los radios se pueden fijar radial o tangencialmente. (El País, Aguilar, Madrid, 1992)
La rueda de bicicleta es muy diferente a la de un coche o una moto. Las fuerzas que debe soportar son menores por el poco peso de ciclista y bicicleta y por la limitada capacidad de potencia humana. Esa escasa potencia hace imprescindible que la rueda sea ligera para escalar y acelerar lo más fácilmente posible y bien diseñada aerodinámicamente para minimizar la resistencia al viento. La alta velocidad de uso, la resistencia aerodinámica, el bajo peso o la comodidad no fueron parámetros de diseño en las primeras ruedas de bicicleta. (El País, Aguilar, Madrid, 1992)
La evolución de las ruedas de bicicleta y de la bicicleta en general, desde el momento de su invención ha sido muy lenta y casi inapreciable. Las ruedas de bicicleta desde sus comienzos han estado formadas por un aro exterior o llanta, un núcleo o buje que acoge al eje de giro y los radios que unen ambas partes. Las primeras ruedas de bicicleta fueron de madera por la imposibilidad tecnológica de fabricar perfiles de acero y mucho menos de aluminio. Los radios y el buje fueron casi desde el principio metálicos. Por ser el aro exterior de madera la cantidad de radios que lo sujetaban era exagerada. Se conseguían ruedas medianamente rígidas que jamás llegaban a estar centradas o equilibradas. El que la llanta fuera de madera implicaba que los neumáticos a utilizar debían ser obligatoriamente tubulares y no del tipo cámara más cubierta y por otra parte condicionaba la calidad de frenada de la bicicleta. (El País, Aguilar, Madrid, 1992)
1.3.1 Partes que conforman la rueda
Una típica rueda moderna tiene un eje de metal, radios bajo tensión y un aro de metal o fibra de carbono el cual tiene un neumático de goma. (El País, Aguilar, Madrid, 1992)
➢ Buje
Un Buje o centro como se le conoce en nuestro país es la parte central de una rueda de bicicleta. Se compone de los elementos que aparecen señalados en la figura 1.13. Los bujes pueden ser de una sola pieza con cartucho de prensa o cojinetes libres o, en el caso de diseños más antiguos, las pestañas pueden ser colocadas por separado en un centro de buje. (http://www.lapazer.com)
Figura 1.13 Buje y sus partes. (http://www.bricozona.com)
La variedad en este terreno y la confusión que genera el marketing de las innumerables fábricas de mazas de calidad hacen muy difícil en la actualidad elegir el adecuado, aun descartando de entrada los bujes baratos, que desde ya no deben utilizarse para el montado de una rueda para un ciclista exigente. ((http://www.lapazer.com))
Pero hay algunos principios que deben tenerse en cuenta. En lo referente, por ejemplo, al mountain bike, habría que descartar los bujes ultraligeros, ya que la pérdida de peso no compensa sus desventajas. El cuerpo del buje puede no tener la necesaria resistencia a la torsión (más aún en estas épocas de horquillas de suspensión y freno de disco), y las alas son muy delgadas. En algunos casos las pistas que contienen las bolas de los rodamientos pueden verse afectadas por la enorme tensión que generan los rayos, con el resultado de que se aflojen los rodamientos y adquieran holgura. ((http://www.lapazer.com))
El grosor de las alas y el diámetro de los agujeros para los rayos son de vital importancia para un buen buje, ya sea de ruta o de mountain bike. La cabeza y el codo del radio encajan perfectamente en un ala de 3 mm. ((http://www.lapazer.com))
Los bujes para mountain bike suelen tener agujeros de buen diámetro, ya que en las épocas tempranas del mountain bike se usaban solamente rayos de 2,3mm.
(http://www.lapazer.com)
En la actualidad los rayos de uso más frecuente son los de 1,8 y 2,0mm, a pesar de lo cual los agujeros de los bujes para este uso se mantuvieron en aquellos diámetros. Los grandes fabricantes prefieren los agujeros grandes, ya que esto facilita el enlazado del radio. ¡Esta es la razón por la que, cuanto más barato el buje, más grandes los agujeros!.
(http://www.lapazer.com)
Pero no sólo el diámetro de agujero juega un papel, también hay que tener en cuenta su perfil. Una mirada microscópica del sector permite verificar que los agujeros son raramente
"perfectos", permitiendo que el "blando" aluminio se deforme en los puntos de presión con el radio. Los mejores artesanos montadores suelen resolver este problema repasando los agujeros de los bujes, si bien esto lleva al indeseado efecto de aumentar el diámetro del agujero. (http://www.lapazer.com)
Los agujeros de más de 2,3 mm son lo menos indicados para usar con rayos de 1,8 o 2,0 mm. Si no se usan arandelas en el enlazado del radio entonces este tendrá cierto "juego", se moverá dentro del agujero cada vez que cambie la carga, extenderá el diámetro, se tornará quebradizo y se romperá en el codo. (http://www.lapazer.com)
Las secciones de las alas también plantean sus demandas. Sus flancos deben estar configurados de tal manera que permitan que los rayos ingresen en línea recta a la llanta.
(http://www.lapazer.com)
Los bujes con alas muy altas han caído en desuso en la última década, aunque aún suelen usarse en bicicletas de pista, por razones de tradición. (http://www.lapazer.com)
Son reliquias de una época en que la calidad del acero de los rayos era muy pobre y los ciclistas hacían lo imposible para reducir el riesgo de rotura de rayos. En la actualidad se usan casi exclusivamente en ruedas de 36 rayos a cuatro cruces o en las de tándems de 40 o 48 rayos a tres cruces. Incluso los actuales bujes mal llamadas de "ala ancha" para frenos de disco pertenecen a la gama de los bujes de alas cortas. (http://www.lapazer.com)
➢ Llanta o aro
La llanta de una bicicleta (figura 1.14) hasta la década de 1980 con la excepción de las utilizadas en las bicicletas de carreras estaban hechas de acero y termoplástico.
(http://www.lapazer.com)
Figura 1.14 Llanta de aleación de aluminio (Wikipedia, 2018)
Hoy día para la construcción de llantas reinan los aluminios livianos. Para sus productos de mejor calidad los fabricantes usan solamente las mejores aleaciones de aluminio con superficies endurecidas por anodizado. Pero muchos fabricantes de llantas "famosas" de segunda y tercera línea suelen usar aleaciones livianas pero muy blandas que hacen a las llantas atractivas y nada más. (http://www.lapazer.com)
La fabricación de llantas es algo en lo que no se puede improvisar. Se requiere mucha experiencia y conocimiento. Es por eso que son muy pocos los acompañantes serios de fábricas como la francesa Mavic. (http://www.lapazer.com)
Las llantas, aun cuando sean del mismo fabricante, incluso del mismo modelo y, por ende, de la misma "calidad", presentan sutiles diferencias entre sí. (http://www.lapazer.com) Cuando la llanta sale de la línea de producción no es radialmente circular. El perfil de la llanta es extruido (modelado por extrusión) de una varilla metálica, pasado y enfriado por rodillos, cortado a la medida, llevado a su perfil final y finalmente se unen sus extremos.
Incluso las llantas no siempre son perfectamente planas, al punto que si uno las apoya en una mesa perfectamente plana se las puede ver "ondular". (http://www.lapazer.com)
De modo que el mecánico debe poner las cosas en orden, y, hacia el final de su trabajo de tensionado de los rayos deberá lidiar bastante tiempo con esos pecadillos de las llantas.
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- Funciones
Las llantas son los componentes de la bicicleta sujetos a las mayores cargas. Durante una pedalada son "empujadas" y "tiradas" radial y lateralmente sin una pizca del respeto que merecerían. Tienen que actuar como "discos de freno" para los sistemas de freno a la llanta y como montante para los neumáticos. En principio, la llanta es algo así como un resorte circular en tensión radial designado para absorber estrés radial y lateral. Incluso una llanta de perfil alto, hecha de un buen y resistente material, se deforma por una fracción de segundos para luego volver a su perfil original. Una llanta cuya sección transversal sea muy baja o esté construida con un aluminio muy "blando" no podría hacer esa proeza. La llanta retiene el golpe, y cuando vuelve a su lugar los rayos del área golpeada reducen su tensión y se tornan inestables. El resultado de esto, son niples constantemente flojos o rayos prematuramente flojos. (http://www.lapazer.com)
- Tipos de llantas
Llanta tipo Westwood (figura 1.15) que incorporan las clásicas bicicletas roadster con frenos de varilla, hoy en día se utilizan en bicicletas contemporáneas tradicionales con freno de tambor y contrapedal. (Wikipedia, 2018)
Figura 1.15. Llanta Westwood. (Wikipedia, 2018)
Ruedas tipo Sprint (figura 1.16) para neumáticos tubulares, generalmente usados para bicicletas de pista.
Figura 1.16. Llanta Sprint. (Wikipedia, 2018)
Llanta tipo Endrick (ver figura 1.17), como instaladas en las bicicletas deportivas de los años 1930-40- 50, precursor de las modernas ruedas con borde para freno de hoy en día.
Figura 1.17. Llanta Endrick. (Wikipedia, 2018) - Secciones transversales de las llantas
Es una cuestión de principios que una llanta de sección no cóncava jamás debe ser usada para construir una rueda de calidad. Son muy blandas y carecen de flexibilidad.
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Para llantas de ruta estables y duraderas conviene por optar por las de sección en V. Tienen excelente capacidad de soportar carga, necesitan menos rayos (32, 28, 24) y, dependiendo del fabricante, pueden soportar tensiones de rayos superiores a las 337 libras. Las llantas de sección estándar pueden resultar suficientes para el mountain bike, pero, para situaciones extremas, habrá que seleccionar un perfil alto en V y un reducido número de rayos (24, 28). La geometría de las llantas traseras, tanto para ruta como para mountain bike, con casettes de 8 a 10 coronas, es asimétrica. Por ello es que es importante tener en cuenta que las llantas de perfil bajo, populares por su bajo peso, no son lo suficientemente robustas, incluso con 36 rayos. En este caso la llanta trasera se tornará inestable y hasta
puede colapsar. En la figura 1.18 se muestra una imagen da la sección transversal de las llantas. (http://www.lapazer.com)
Figura 1.18. Sección transversal de ruedas de ruta y MTB. (http://www.lapazer.com) - Uniones
Siempre que el trabajo haya sido hecho con precisión y conocimientos, las uniones de las llantas soldadas son superiores a las que usan una unión separada, ya que estas uniones
"mecánicas" hacen que la llanta tienda a tirar hacia fuera de la junta cuando soporta gran tensión de los rayos. Los dos rayos más cercanos a una unión mecánica deben tener mayor tensión, en orden de permitirles retener a la llanta. Si la junta no está instalada con precisión o si no está remachada a la llanta, la unión puede moverse durante la pedalada. El triste resultado es que la zapata de freno se desgastará prematuramente y el frenado se volverá más brusco. (http://www.lapazer.com)
- Ojales
Las opiniones están divididas en cuanto al tema de los ojales. Primariamente, los ojales fortalecen el agujero de la llanta en que se instala el radio. Una llanta con ojales es usualmente más pesada que la que no los tiene, pero en ella resulta más sencillo el
centrado, ya que es más fácil operar los niples (ya sean de aluminio o acero) sobre hacer (los ojales) que sobre el aluminio de la llanta. La parte negativa del tema es que las ruedas con los ojales mal instalados pueden generar ruidos persistentes y enloquecedores en la rueda. (http://www.lapazer.com)
De todas maneras, las llantas sin ojales pueden resultar tan buenas como las que los tienen, en tanto que el sector en que encaja la cabeza del niple haya sido reforzado.
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➢ Radio
Un radio o rayo (ver figura 1.19) de una rueda es cada una de las barras que une rígidamente la zona central con la perimetral. Los radios son alambres tensados, mejoran su comportamiento, pues los radios apenas sufren deformaciones al compensarse las tensiones de compresión con las de tensado. Además, se suelen montar tangencialmente a la zona cilíndrica central, para optimizar su buen comportamiento a tracción y evitar los esfuerzos de torsión que se transmiten, principalmente, tanto al acelerar como al frenar.
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Figura 1.19 Radios de una bicicleta. (Wikipedia, 2018) - Tipos de radios
Los rayos de espesor uniforme, de doble espesor (double-butted), de triple espesor y los aerodinámicos son los rayos actualmente preferidos por los constructores de ruedas. Hay también rayos sin codo (para algunos bujes de Campagnolo, Mavic y otras), pero su uso es muy poco frecuente, y muy especialmente en ruedas delanteras. Y también algunas rarezas como rayos ondulados, sistemas zig-zag, pero no son populares y sus ventajas son muy dudosas. En la figura 1.20 se muestra los tipos de rayos. (http://www.lapazer.com)
Figura 1.20. Tipos de rayos. (http://www.lapazer.com) Rayos de espesor uniforme
Tienen el mismo diámetro, 2,0 o 1,8 mm desde la cabeza hasta la rosca. Es un radio robusto y barato. Su desventaja es que su sección recta es muy rígida, prácticamente sin acción amortiguadora, lo que hace que cuando soporta una sobrecarga ésta se transfiere casi toda al codo. No son rayos recomendables para ruedas de calidad, ya que el ahorro en su costo no se compensa ni con los resultados ni con la cantidad de trabajo que demanda su instalación y mantenimiento. (http://www.lapazer.com)
Rayos aerodinámicos
Es en esencia un rayo de espesor uniforme reformado, ya que su área central esta aplanada hasta llevarla a un diámetro de 1,0 mm. Normalmente, tanto el codo como la rosca son de 2.0mm. Tienen un buen coeficiente aerodinámico, soportan grandes cargas y son muy estéticos en la rueda. Su instalación lleva tiempo. Se utilizan tanto para ruta como para pista (especialmente) y en contrarreloj y en algunas llantas de Mavic de mountain bike, como las Crossmax. Muchos corredores profesionales de ruta usan ruedas delanteras con rayos aerodinámicos. También se los puede encontrar en algunas bicis de mountain bike de gama alta. (http://www.lapazer.com)
Rayos de espesor variable
Los rayos de doble espesor (double butted) y triple (triple butted-3D), son los favoritos de los artesanos profesionales. No sólo son más livianos y aerodinámicos, sino que tienen, lo que es más importante aún, mejores características amortiguadoras que los de espesor uniforme, lo que alivia al codo y a la rosca cuando estos soportan un exceso de carga.
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Bajo condiciones normales de uso estos rayos no amortiguan y la rueda permanece estable.
Pero cuando reciben, por ejemplo, un golpe "radial" los rayos del sector absorben los "picos"
de la carga recibida. Eso sí, cuando la presión es extrema se comban, con el resultado de que habrá que volver a centrar la rueda. (http://www.lapazer.com)
Los rayos de doble espesor tienen el mismo diámetro en el codo y en la rosca, y más reducido en el resto del recorrido. Su recorrido es flexible y es más liviano y aerodinámico que un rayo de espesor uniforme. Cuando el primer diámetro es de 2,0 mm, el segundo puede variar entre 1,8 y 1,5 mm. Y cuando el primero es de 1,8 mm, el segundo puede ser de 1,6 ó 1,5 mm. (http://www.lapazer.com)
Estos rayos son los de uso más extendido en las actuales bicis de calidad. Desde los más robustos (2,0/1,8/2,0 mm) hasta los más livianos (1,8/1,5/1,8 mm), cubren todas las necesidades del ciclismo. (http://www.lapazer.com)
Por su parte, los rayos de triple espesor tienen tres diámetros en su recorrido:
- El diámetro mayor en el codo (2,3 mm) - Un diámetro intermedio en la rosca (2,0 mm)
- El menor diámetro en el resto del recorrido (1,8 mm)
O sea, un refuerzo ideal en el sector del codo y recorrido flexible tal como los de doble espesor.
Estos rayos están principalmente orientados al mountain bike, cross country y descenso, y muy especialmente para el uso con frenos de disco, ya que son tan robustos como grandes amortiguadores. E incluso son muy aptos para ciclistas con sobrepeso. Eso sí, en los bujes
con agujeros muy estrechos, si es que se puede, hay que aumentar el diámetro del agujero a 2,8 mm. (http://www.lapazer.com)
En la actualidad, los lideres entre los rayos que mencionamos son los de doble espesor 2,0/1,8/2,0 mm, ya que son los que tienen aplicaciones casi universales y sus dos diámetros permiten que soporten mayor nivel de estrés que los más livianos y delgados y, además, tienen la mejor relación prestaciones-precio. (http://www.lapazer.com)
- Medidas de los radios
Los largos de los rayos más usuales varían de acuerdo a qué llanta esté de moda y al modo en que queramos radiar la rueda (cruzándolos más o menos veces con los otros rayos).
Pero en la actualidad son los siguientes:
* Ruta 28": 281-284 y292-302 mm.
* MTB 26": 260-270 mm.
Para cuando no se puede conseguir la medida exacta, es muy útil saber "acortar" un radio, lo que implica llevarlo a la medida correcta y luego rehacer la rosca. Hay herramientas específicas para ello, aunque se puede improvisar con otras de uso general en el taller.
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Actualmente la marca líder mundial en rayos de calidad es DT Swiss, que usa un método exclusivo de forjado en frío. Martillos rotativos de alta velocidad reducen el diámetro del rayo y simultáneamente comprimen la estructura metálica. Este proceso resulta en tolerancias muy precisas en el diámetro y la circularidad, así como en la homogeneidad de la estructura del material. (http://www.lapazer.com)
Todos los rayos DT Swiss respetan las mejores normas de calidad en el tema: DIN 79100 (Norma Industrial Alemana aceptada por el resto de Europa), JSI (Norma Japonesa) y BIS (Norma Británica). (http://www.lapazer.com)
- Materiales de los radios
Los fabricantes de ruedas de gama alta sólo utilizan rayos de acero inoxidable o de titanio.
La casa DT Swiss en particular utiliza su propio material (Acero Inoxidable X12 CrNi 18/19),
formado aproximadamente por un 18% de cromo, 10 % de níquel y 72 % de acero y otros aditivos. Por su parte, los rayos de titanio están hechos con Titanium Metal Matrix Composite-Beta C. En cuanto a los de aluminio, los usa exclusivamente Mavic en sus llantas de gama alta Ksyrium (carretera) y Crossmax (mountain bike). (http://www.lapazer.com) Un par de años atrás aparecieron en el mercado unos rayos de carbono que provocaron cierto asombro inicial. Pero la inhumana paciencia que requirió trabajar con ellos y la enorme dificultad que generaban en el centrado hizo que rápidamente fueran dejados de lado.
(http://www.lapazer.com) - Roscas
Los fabricantes de rayos de calidad hacen las roscas por relleno y no por corte. Esto implica que la transición entre la rosca y el cuerpo del rayo es más suave, que el material de la rosca tiene mayor compresión y que el largo de la rosca es mayor, lo que permite "jugar"
entre la rosca y la cabecilla. (http://www.lapazer.com)
La mayor desventaja de las roscas por corte es el borde profundo que se genera en la transición entre la rosca y el cuerpo del radio, una zona de posible ruptura. En la figura 1.21 se muestra una imagen de la rosca de los radios. (http://www.lapazer.com)
Figura 1.21. Rosca de los radios. (http://www.lapazer.com)
➢ Niples
Los niples son un conjunto de los radios y están fabricados de compuestos de hierro que tienen gran fortaleza y buena capacidad para soportar la fricción, siendo este el material ideal para su construcción. Y aun cuando se dañe el niquelado, y a tensiones extremas del radio, no dañan ni al radio ni a la llanta, tengan estos ojales o no. (http://www.lapazer.com) Los niples de aluminio se pusieron de moda en los últimos años. Su única ventaja radica en la reducción de peso, aunque la diferencia no es crítica. Cuando se centran llantas con
niples de aluminio es importante lubricar los flancos del niple y el área de transición entre los niples y los ojales. (http://www.lapazer.com)
- Tipos de niples
El niple de cabeza redonda (figura 1.22) es actualmente el más utilizado para llantas de perfil transversal bajo. DT Swiss los ofrece de hierro níquel-plateado, en aluminio estándar o anodizados y en largos de 12 mm (los más populares), 14, 16, 19, y 22 mm. Diámetro de la rosca: 1,8, 2,0 y 2,34 mm. (http://www.lapazer.com)
El niple de cabeza hexagonal (figura1.22) fue diseñado especialmente para las llantas de perfil transversal alto. Están construidos en hierro niquelado plateado y se ofrecen en largos de 12 y 16 mm con un diámetro de rosca de 2,0 mm. Este tipo de niple permite una tensión extrema del radio (más de 450 libras) y es el usado, por ejemplo, en las llantas Shamal de Campagnolo. Una de las desventajas de este sistema es que prácticamente todo el niple queda dentro de la llanta, de modo que para centrar la rueda es necesario retirar el neumático. (http://www.lapazer.com)
Figura 1.22 Niples de cabeza hexagonal y cabeza redonda. (http://www.lapazer.com)
➢ Neumático de bicicleta
Esta es la parte de la rueda que permanece en contacto con el suelo, generalmente su lomo presenta diseños especiales para brindar mayor agarre en mountain bike, para bicicletas de pista los neumáticos son más angostos y pequeños para reducir el roce y alcanzar mayor velocidad, sin embargo, necesitan dicha estructura (Bitacora Gruupo Rodado, s/f).
Figura 1.23 Neumático de Bicicleta de paseo. (Wikipedia, 2018)
Los tipos de caucho más empleados en la fabricación de los neumáticos son (Guillermo Castro, 2008):
-Cauchos naturales (NR) -Polibutadienos (BR)
-Estireno – Butadieno (SBR) -Polisoprenos sintéticos (IR)
La matriz de caucho más utilizada es el copolímero estireno-butadieno (SBR).
Además de caucho, los neumáticos están compuestos por (Guillermo Castro, 2008):
Rellenos reforzantes: el negro de humo, formado de partículas muy pequeñas de carbono, que aumenta la tenacidad y la resistencia a la tracción, a la torsión y al desgaste.
Fibras reforzantes: textiles y de acero, usualmente en forma de hilos, que aportan resistencia a los neumáticos: algodón, nylon y poliéster. La cantidad de acero y fibras sintéticas reforzantes en los neumáticos varía según el fabricante.
Plastificantes: se adicionan para facilitar la preparación y elaboración de las mezclas, utilizándose para el control de la viscosidad. Reducen la fricción interna durante el procesado y mejoran la flexibilidad a bajas temperaturas del producto: aceites minerales (aromáticos, nafténicos y parafínicos) y de tipo éster.
Agentes vulcanizantes: el azufre se usa para entrecruzar las cadenas de polímero en el caucho.
Acelerantes: compuestos órgano - sulfurados, benzotiazol y derivados, óxido de zinc y ácidoesteárico.
Retardantes: N-nitroso difenil amina.
Otros componentes (antioxidantes o antiozonizantes, adhesivos) - Tipos de cubiertas que llevan las ruedas de bicicletas.
Cubierta más cámaras. (ver Figura 1.24)
Las cubiertas con cámara son las más habituales. Tienen forma de U con una pestaña en cada uno de sus extremos que, con la ayuda de la presión que otorga la cámara hinchada, se encajan en los huecos de la llanta. Esta tiene que ser específica para cámara (Mario Herranz, 2016).
Desde luego, la cubierta más cámara tiene argumentos para ser el sistema más popular. El primero, el precio, con diferencia es el más económico y es muy fácil de reparar en ruta, una cámara de repuesto pesa poco y se cambia en 5 minutos. En contra tiene su peso, un rendimiento peor que el tubular (la presión de hinchado es menor que en este), y que es más fácil desllantar y también pinchar. Pero como hemos dicho, también es más sencillo reparar (Mario Herranz, 2016).
Figura 1.24 Cubierta más cámara Fuente: Mario Herranz, 2016 Tubulares (ver Figura 1.25)
El tubular es más ligero, pesa del orden de 300-400 gramos el par, ofrece un mejor rendimiento (hay estudios que lo sitúan en 30 W más que las cubiertas), y tiene menos posibilidades de desllantar. Pero claro, tiene sus inconvenientes, es un sistema mucho más caro que la cámara más cubierta y las reparaciones son mucho más engorrosas, llevar un tubular de repuesto no es lo mismo que llevar una simple cámara y el cambio requiere mucho más tiempo hasta que se seca el adhesivo, lo que lo hace una opción a descartar si
no es para competición o tienes un apoyo externo que te facilite una rueda de repuesto (Mario Herranz, 2016).
Figura 1.25 Cubierta tipo tubular (Fuente: Maillot. Mario Herranz)
Tubeless (ver Figura 1.26)
El tubeless en el que no hay cámara, la cubierta queda sellada con la llanta gracias a la capa de butilo que contiene en su interior y a su flanco más amplio. Naturalmente, la llanta también tiene que ser estanca, específica tubeless o tubelizada con un kit. Suele añadirse líquido sellante para reparar los pequeños pinchazos (Mario Herranz, 2016).
Frente a lo que ocurre en bici de montaña, en carretera no acaba de cuajar a pesar de sus innegables ventajas: pinchan mucho menos (la posibilidad de dar un llantazo es mínima por la propia estructura de la cubierta y la ausencia de cámara, y el líquido sellante actúa frente a pequeños pinchazos), puedes jugar con presiones inferiores a con cámara, y no digamos respecto al tubular, sin miedo a destalonar, lo que lo hace una elección muy interesante con firmes en mal estado o asfalto mojado. Luego, al no llevar cámara hay un menor nivel de absorción de energía, lo que mejora el comportamiento dinámico respecto a esta (Mario Herranz, 2016).
Con un peso similar al de la cámara más cubierta, en su contra juega lo farragoso de su montaje para que quede bien talonado y, en caso de un improbable pinchazo, algo que tampoco es imposible, la reparación es más lenta que con cámara, pero no llega al engorro del tubular. Además, todavía hay poca oferta en el mercado (Mario Herranz, 2016).
Figura 1.26 Cubierta tipo tubeless (Mario Herranz, 2016) Cámara para neumático (ver Figura 1.27)
Las cámaras son determinantes en las prestaciones de los neumáticos. Cuanto más ligeras, finas y flexibles sean menor será su resistencia a la rodadura. Por eso los tubulares usan látex en lugar del tradicional butilo. Eso sí, al ser poroso el látex, es necesario hinchar la rueda antes de cada salida. Esto no ocurre con las cámaras de poliuretano, también muy ligeras, pero en su caso no son tan flexibles como las de látex o caucho y es necesario afinar más para que se ajuste bien al tamaño de tu rueda. Algunas están recubiertas con talco para minimizar el rozamiento con la cubierta y de esta forma disminuir las tensiones que se producen al rozar con la cubierta durante el giro (Mario Herranz, 2016).
Figura 1.27 Cámara de una bicicleta. (Bitácora Grupo Rodado, s/f)
Existen diferentes cámaras dependiendo del tipo de válvula y la composición del material de la cámara. Centrando la atención en las válvulas existen tres tipos conocidos.
Válvula Schrader: Es la empleada en la mayoría de bicicletas de montaña e híbridas.
Pierden aire con relativa facilidad. Es el mismo tipo de válvula usada en coches y motos y es fácil de encontrar para el tamaño de 26 pulgadas.
Válvula Presta: Se encuentra en la mayoría de bicicletas de carretera y en algunas de montaña. Se trata de la válvula con una rueda selladora en la punta. Mantienen la presión notablemente mejor que las Schrader, pero son más delicadas.
Válvula Dunlop: Se trata de una mezcla entre las anteriores, necesita un adaptador para inflarse, pero aguanta mejor que la Schrader ante la pérdida de aire.
1.4 Normativa para los ensayos de las ruedas
Para que estas ruedas puedan estar reconocidas dentro del mercado, para el uso de competiciones federadas o competiciones que acaten la normativa UCI, aparte de cumplir los requisitos geométricos, deberán pasar un análisis de impacto llamado Sirris. Este deberá ser realizado por una empresa autorizada por la UCI (Sirris, 2007).
La UCI determina una serie de medidas máximas y mínimas, para que las ruedas puedan competir en sus pruebas, que son el mayor exponente del ciclismo (Real Federación Española de Ciclismo 2005, artículo 1.3.018).
- El diámetro de las ruedas no será superior a 700 mm ni inferior a 550mm, incluyendo el neumático. Los neumáticos de carretera oscilan entre 30 y 40 mm. Para las ruedas de carretera es habitual utilizar la normativa ISO 5775 sobre ruedas y usar un diámetro de 622mm.
- Las ruedas que se utilicen en pruebas de ruta tendrán que tener como mínimo un número de 12 radios, donde estos podrán ser redondos, planos u ovalados. Los radios no podrán tener ninguna dimensión de su sección mayor a 10mm.
Para ser aprobadas las ruedas deberán haber sufrido con éxito el test de ruptura prescrito por la UCI en los laboratorios autorizados por ella. Deberán ser cumplidos los siguientes criterios:
- Durante el impacto, ningún elemento de la rueda podrá desprenderse y ser expulsado hacia el exterior.
- Los aspectos externos de la ruptura no podrán presentar partes con cortes al aire, cortantes o puntiagudos que puedan herir al usuario, a otros corredores o a terceros.
- Las partes externas de la ruptura no podrán anular la unión tubular-llanta de la tal forma que la rueda no sea más sólida que la horquilla.
El ensayo, de manera simplificada, consiste en una bancada fija donde se ancla el eje de la rueda y una segunda bancada desplazable que impacta contra la misma (ver figura 1.28)
Figura 1.28. Banco de pruebas. (Sirris 2007)
Con respecto a la herramienta de impacto, formada por el martillo y el carrito (ver figura 1.29 y 1.30):
- La velocidad del martillo en el momento del impacto será de 10 km/h.
- El conjunto tan solo se puede desplazar de manera horizontal antes y después del golpe por estar restringidos sus movimientos.
- El conjunto de la herramienta de impacto es de 100 kilos.
- La deformación del carro y el martillo son irrelevantes.
- El desplazamiento horizontal del carro está limitado, mediante dos topes en cada lado, para frenar la herramienta de impacto y que ésta no golpee a la bancada que sujeta la rueda. De esta forma se disminuye en cierta medida la cantidad de energía que debe absorber la rueda. En el reglamento de la UCI y los documentos de los diferentes laboratorios, no aparece especificado ni acotado cuáles serán los puntos donde se sitúen los topes, ni el recorrido que tendrá la bancada de impacto.
- La superficie de contacto entre el martillo y la rueda está definida. Esta superficie es redondeada. En la UCI o los diferentes laboratorios habilitados consultados, no se ha especificado un radio común a todos los test.
Figura 1.29 Vista transversal del martillo. (Sirris 2007)
Figura 1.30 Máquina de impacto de la Empresa Sirris. (Sirris 2007)
Con respecto a la rueda se deberán tener en cuenta las siguientes consideraciones:
La rueda dispondrá de un neumático montado con una presión de 3,5 bares. Existen diferentes tipos de neumáticos como son los tubulares o las cubiertas, que son los más comunes, y por último el tubeless. El tipo de neumático dependerá de la geometría que tenga el aro de la rueda para fijarlo.
Si la distancia entre dos radios consecutivos es de más de 20 cm, se deberán realizar cada uno de los ensayos de impacto en dos posiciones diferentes (UCI and Sirris, 2013):
- El punto de impacto debe coincidir con la proyección horizontal del radio sobre el aro.
1.5 Método de los elementos finitos (MEF) para el cálculo de estructuras.
El método de elementos finitos (MEF) constituye hoy en día un procedimiento habitual de cálculo en mecánica de estructuras y en la mecánica de sólidos en general. Ha adquirido gran importancia en la resolución de problemas de mecánica de sólidos, transferencia de calor, mecánica de fluidos o electromagnetismo.
El objetivo del análisis por elementos finitos consiste en encontrar una solución a los problemas complicados sustituyéndolos por otros más simples. Sustituyendo el problema real por uno más simple para encontrar una solución, aunque sólo seremos capaces de tener una solución aproximada del problema y no exacta.
Estas técnicas numéricas resultan actualmente casi imprescindibles para desenvolverse en el ámbito de la Ingeniería, porque la mayoría de los análisis que se llevan a cabo en la
industria están basados en ellas. Además, permiten solucionar casos que hasta hace poco tiempo eran prácticamente imposibles de resolver por los métodos matemáticos tradicionales, y que requerían la creación de prototipos, a su ensayo y a ir realizando mejoras de forma iterativa, lo que conlleva un alto coste económico y temporal.
El MEF permite generar un modelo matemático de cálculo del sistema real, más fácil y económico de modificar que un prototipo, basándose en hipótesis básicas del método para obtener una solución aproximada a la real. Por ello, sigue siendo necesaria la creación de prototipos, pero en menor cantidad, ya que el modelo de elementos finitos puedes ser muy cercano al diseño óptimo. Los problemas de elementos finitos pueden tener un número finito de componentes bien definidos, denominados discretos, o una subdivisión que prosigue indefinidamente y, entonces, el problema sólo puede definirse haciendo uso de la ficción matemática del infinito, denominados continuos. (PFC Miguel Ángel Naranjo Hipólito, s/f).
Algunos softwares destacados que emplean el MEF:
• SOLIDWORKS: software de uso general.
• ANSYS: de propósito general, para computadoras personales (PC) y estaciones de trabajo.
• ALGOR: para estaciones de trabajo y computadoras personales.
• SDRC/I-DEAS: paquete completo de CAD/CAM/CAE.
• NASTRAN: de propósito general para mainframes.
• ABAQUS: para análisis de tipo no lineal y dinámico.
• DYNA-3D: enfocado a los análisis dinámicos y de impacto.
Entre algunos ejemplos donde emplea el MEF para el cálculo de estructuras se citan a continuación.
En la tesis de Martínez (2018) con título Diseño de un bipedestador se empleó el MEF para el estudio del reposapiés del bipedestador en el cual se le aplicó las cargas máximas que tendría que soportar esa pieza fabricada del material balsa resistiendo las cargas aplicadas
siendo el su límite elástico de 20 MPa siendo las tensiones máximas de Von Mises de 9 MPa, con un factor de seguridad mínimo de 2,22.
En la misma tesis anterior mencionada también se empleó el estudio del MEF para comprobar si resistía el tornillo pivote que están sometidos por la carga máxima de trabajo del equipo y el peso del equipo las cuales serán de 430 N para cada tornillo. Los resultados fueron los previstos, la pieza resiste las cargas aplicadas las cuales están por encima de las cargas máximas de trabajo. El factor de seguridad es de 4 siendo las tensiones de Von Mises máximas 115,7 MPa siendo el límite elástico del 41Cr4 de 560 MPa, por otro lado, los desplazamientos pueden ser despreciados ya que el valor máximo alcanzado fue de 0,015 mm.
Otro caso es el de la tesis realizada por Días Izquierdo, (2018), titulada Simulación numérica del comportamiento de las ventanas de acero galvanizado ante el embate de vientos huracanados mediante el MEF. Se calculó el efecto de las cargas de vientos de huracanes de varias categorías sobre una ventana de acero galvanizado, en el cual se le aplicó perpendicularmente para lograr un mayor impacto. El valor máximo de la tensión que se calculó fue de 1002 MPa siendo esta menor que la del material que tiene un valor de 203,9 MPa para un factor de seguridad de 0,2 por lo tanto resiste los vientos.
En el Trabajo de fin de grado de Julen Cavero Gan, Pamplona, 2017 se realizo varios estudios en el cual se empleó el MEF. Primeramente, se realizó un ensayo estático de resistencia a una tija fabricada con X42Cr13 con limite elástico de 1200 MPa, donde se le aplicó una fuerza de 2000 N de fuerza sobre su cabeza y las mayores tensiones registradas fueron de 102,6 MPa y resistió ya q fue menor las mayores tensiones que el limite elástico del material. Otro estudio que se le realizó a la misma tija fue uno a flexión para comprobar si resiste una gran fuerza en su extremo en el cual se obtuvo mayores tensiones en el punto donde se fija la pieza con un valor de 970,9 MPa siendo menor que el límite elástico del material cuyo valor se mencionó anteriormente. Se le realizó otro estudio de impacto simulando una caída de 10 metros donde alcanzó valores de 1110 MPa siendo este levemente inferior al límite elástico de la pieza, indicando que no se deforma permanentemente.
CAPÍTULO II. CÁLCULO DEL ESTADO TENSIONAL – DEFORMACIONAL EN LA LLANTA MODELO DT SWISS RR 511 ANTE UNACARGA DE IMPACTO
2.1 Introducción al capítulo
En este capítulo se modeló la rueda DT SWISS RR 511 mediante el software CAD SolidWorks. Se realizó una simulación no lineal dinámica aplicándole una carga a la rueda.
Esto permitió calcular el estado tensional – deformacional de la llanta.
Se determinó la resiliencia del material y del modelo. Como la primera fue mayor que la segunda se plantea que el modelo de la llanta estudiado recupera sus dimensiones originales ante una carga de impacto.
2.2 Modelo geométrico de la llanta DT SWISS RR 511 y sus componentes.
Para esta investigación se escogió la llanta DT SWISS RR 511 de 24 radios (figura 2.1) fabricada en aluminio 7075-O con una altura de perfil de 32 mm, una anchura exterior de 21,5 mm y anchura interior de 18 mm (ver figura 2.2), con ERD de 581 mm y un peso límite soportado del ciclista de 130 kg. El buje es El buje o centro es el DT SWISS 350 ROAD (figura 2.3) fabricado en aluminio 7075-O de dimensiones (ver figura 2.4). Los radios son de un solo diámetro (2.0 mm) fabricados en acero inoxidable X12H10 y los niples son del tipo de cabeza redonda y fabricados del mismo material de los radios.
Figura 2.1 Llanta DT SWISS RR 511(www.dtswiss.com)
Figura 2.2 Dimensiones de la llanta. (www.dtswiss.com)
Figura 2.3 Buje DT SWISS 350 ROAD. (www.dtswiss.com)
Figura 2.4 Dimensiones del buje DT SWISS 350. (www.kstoerz.com)
Para la construcción de los modelos geométricos y el estudio de la llanta “DT SWISS RR 511” se utilizó el software CAD SolidWorks 2018 y el complemento para el estudio resistivo Simulation.
- La llanta DT SWISS RR 511