Treball final de grau Estudi: Grau en Enginyeria Mecànica Títol: Màquina de rem amb rodes Document: 1. Memoria i Anexos Alumne: Alfredo Otero Rista Director/Tutor: Francisco Javier Espinach Orús Departament: Organització, Gestió empresarial i Disseny del Producte. Area: Expressió Gràfica en l Enginyeria. Convocatòria (mes/any): Septiembre 2013 1
INDICE MEMORIA 1. Introducción... 5 1.1. Antecedentes... 5 1.2. Objeto... 5 1.3. Especificaciones y Alcance... 5 2. Descripción del Vehículo... 6 2.1. Estudio Previo... 6 2.2. Descripción general y funcionamiento... 10 3. Chasis... 11 3.1. Bastidor... 11 3.2. Ruedas de guía... 12 3.3. Sistema de dirección... 12 3.4. Sistema de transmisión... 14 4. Carros deslizantes... 15 4.1. Carro pedal deslizante... 15 4.2. Carro manillar deslizante... 15 4.3. Asiento deslizante... 16 5. Trenes de ruedas... 17 5.1. Ruedas delantera y trasera... 17 5.2. Tren delantero y dirección... 17 5.3. Tren trasero y transmisión... 18 6. Transmisión... 19 7. Sistema de frenos... 20 8. Resumen del presupuesto... 21 9. Conclusiones... 21 10. Relación de documentos... 21 ANEXOS A. Descripciones técnicas... 23 A.1. Ruedas del vehículo... 23 A.2. Frenos... 28 A.3. Manillar... 29 2
A.4. Carro pedal deslizante... 29 A.5. Transmisión... 31 A.6. Dirección... 37 B. Cálculos... 39 B.1. Rodamientos de la dirección... 39 B.2. Rodamientos del eje trasero... 40 B.3. Perfil principal del chasis... 41 C. Seguridad y mantenimiento.... 43 3
MEMORIA 4
1. Introducción 1.1. Antecedentes Propuesta de diseño de una máquina que transforme los movimientos de remo y los transmita a unas ruedas. Habrá de ser un vehículo de tres o cuatro ruedas. Para asegurar una velocidad razonablemente constante, hará falta, probablemente, un volante de inercia. 1.2. Objeto Este proyecto tiene por objeto el diseño de un vehículo de ruedas ligero accionado por una persona, y que utilice los movimientos de remo olímpico para su propulsión. El propósito del vehículo es el entrenamiento de deportistas así como su esparcimiento. 1.3. Especificaciones y Alcance TEMA R/D DESCRIPCION Función D Entrenamiento. Debe respetar movimientos de remo olímpico Peso D Máximo: 20kg Capacidad R Máximo: 110kg Dimensiones R Máximo: altura: 900mm, largo: 2000mm, ancho: 1000mm Movimiento R Impulso hacia adelante. El usuario avanzará de frente Ruedas R Mínimo: 3. Máximo: 4 Tracción D 1 o 2 ruedas Dirección R En el tren delantero Frenos R En todas las ruedas Costo R Máximo: 3000 R: requerido; D: Deseable. El alcance de este proyecto será el diseño, la redacción, el cálculo y el dibujo de planos para la fabricación de un prototipo. Este proyecto no incluirá en ningún caso la fabricación de un prototipo del vehículo. 5
2. Descripción del Vehículo 2.1. Estudio Previo El ejercicio del remo El remo deportivo olímpico con canoa de banco móvil conocido como skiff x1, scull individual o single scull es el que se ha estudiado para llevar a cabo este proyecto. http://www.zimbio.com/pictures/eongxyocaf6/olympics+day+5+rowing/cay1ti6ipdi Figura 1. Scull individual El de remar es un ejercicio completo en el que interviene todo el cuerpo. Es necesaria la fuerza de los brazos, las piernas y el torso para lograr una palada que empuje a la canoa eficientemente. La palada se divide en cuatro fases: http://www.vermontc2.com/remoindoorgruposmusculares.php 1. Ataque: En el ataque el cuerpo se encuentra inclinado hacia adelante, las piernas recogidas y los brazos estirados. Figura 2. Fase de Ataque 6
2. Pase: El pase comienza con el despliegue de las piernas, continúa con la inclinación del torso hacia atrás, y acaba con el pliegue de los brazos. a. Piernas b. Torso Figura 2. Fase de Pase. Despliegue de las piernas. c. Brazos Figura 3. Fase de Pase. Despliegue del torso. Figura 4. Fase de Pase. Pliegue de los brazos. 3. Final: En la posición final, las piernas quedan completamente estiradas, el torso inclinado hacia atrás unos 25º y los brazos recogidos. 7
Figura 5. Fase Final. 4. Recuperación: En la fase de recuperación se mueve el cuerpo hacia adelante haciendo la secuencia inversa del pase logrando llegar a la posición de ataque nuevamente para repetir el ciclo. Figura 6. Fase de Recuperación. Máquinas de remo indoor: Existen máquinas de entrenamiento que reproducen el movimiento del remo en canoa. Estas máquinas se utilizan también para competencias. Algunas de ellas logran que el cuerpo de la persona que se entrena permanezca prácticamente estático. http://www.oartec.co.uk/slider_introduction.php Figura 7. Oartec Slider. 8
Vehículos con ruedas accionados por movimientos de remo: http://www.sculltrek.sk/index.php?lang=en&sekcia=gallery Figura 8. Modelo Skulltrek En este modelo el movimiento es muy similar al del remo en canoa. El manillar no se desliza pero gira controlando la dirección. Los apoyos de los pies y el asiento son móviles. La masa del cuerpo se desliza hacia adelante y hacia atrás en cada ciclo produciendo grandes desequilibrios. http://rowingbike.com/site/en/models/carbon THYS 209/ Figura 9. Modelo Rowingbike THYS 209. En este vehículo el torso de la persona permanece inmóvil. El movimiento se obtiene de las piernas y de los brazos pero no se asemeja al verdadero movimiento de remo olímpico. Tiene dificultades como fijar los pies a sus apoyos mientras se intenta mantener el equilibrio en el arranque. 9
2.2. Descripción general y funcionamiento El vehículo está compuesto por chasis, tren delantero, tren trasero, cuatro ruedas, asiento deslizante, carro pedal deslizante, carro manillar deslizante, sistema de transmisión, sistema de freno y sistema de dirección. Figura 10. Descripción general del vehículo. La persona se acomoda en el asiento deslizante, colocando las piernas por dentro del arco del carro manillar deslizante (remo) y asegurando los pies en los pedales del carro pedal deslizante. Con las manos se sujeta a los puños de la barra del manillar. Para accionar el vehículo la persona debe empujar con los pies hacia adelante en el carro pedal deslizante y tirar con las manos de la barra del manillar. Para hacer el movimiento de remo olímpico correctamente deberá referirse al estudio previo del apartado 2.1 de esta memoria. Figura 11. Descripción del funcionamiento del vehículo. 10
Los carros pedal y manillar, están relacionados entre sí a través de la cadena de transmisión. El movimiento de uno respecto del otro es absoluto; es decir, cuando uno avanza, el otro retrocede y viceversa. En el eje de transmisión se encuentra un engranaje diferencial que permite que las ruedas tractoras giren a velocidades diferentes en las curvas. Se acciona por medio de una rueda libre que permite que haya tracción sólo en el sentido de avance. El asiento tiene libre movimiento hacia adelante y hacia atrás para compensar la posición del cuerpo debido a la diferencia de longitud que presentan el desplazamiento de las piernas y el torso con los brazos en la palada. La velocidad alcanzada dependerá del ímpetu con que se reme. Para cambiar de dirección basta con girar la barra del manillar de igual modo que se procede en una bicicleta. Se puede cambiar de dirección al tiempo que se rema. Para frenar deben accionarse las palancas situadas en la barra del manillar. 3. Chasis 3.1. Bastidor El bastidor principal o chasis tiene dos funciones principales. Una es ser el soporte estructural de todo el vehículo. La otra es oficiar de raíl para los carros deslizantes. Para ello, los tubos cuadrados con los que se construirá se dispondrán de manera de rombo. De esta manera, las ruedas de los carros, con perfil en forma de V podrán girar guiadas linealmente. Se construirá en acero inoxidable porque la superficie de deslizamiento no puede ser pintada. Figura 12. Bastidor de acero inoxidable 11
3.2. Ruedas de guía Las ruedas de los carros están fabricadas en nylon. Poseen un rodamiento interior y su perfil tiene forma de V para que puedan deslizarse linealmente por los raíles del chasis. Figura 13. Detalle de las ruedas de guía 3.3. Sistema de dirección La dirección del vehículo se acciona desde el carro manillar deslizante. Este carro se mueve libremente en el sentido longitudinal del vehículo. Posee un movimiento relativo perpendicular al eje de las ruedas delanteras. Esto representa un problema a la hora de transmitir el movimiento de dirección desde el manillar hasta las ruedas. Por ello se ha diseñado un sistema de varillaje unido a una barra transmisora de par a través de un buje deslizante. El buje es arrastrado por el carro manillar deslizante hacia adelante y hacia atrás, a la vez que gira gracias al movimiento que le transmite el varillaje que proviene de la barra manillar. Este giro se transfiere a la barra, la cual mueve a través de una palanca y una varilla el brazo de dirección. 12
Figura 14. Detalle del sistema de dirección Figura 15. Detalle del sistema de dirección 13
Figura 16. Cojinete deslizante de la barra de dirección 3.4. Sistema de transmisión En el extremo delantero del chasis de acero inoxidable se encuentra una rueda dentada de 22 dientes que cierra la transmisión por cadena del vehículo. Figura 17. Detalle del piñón de cierre de la transmisión 14
4. Carros deslizantes 4.1. Carro pedal deslizante Como su nombre lo indica constituye el apoyo para los pies. Posee dos pedales comerciales de bicicleta con correa ajustable a los pies. La correa es necesaria porque en el movimiento de remo olímpico, en la etapa de recuperación de la palada, es preciso hacer fuerza con los empeines. Este carro está acoplado a los extremos de la cadena con tornillos. De esta manera el movimiento de los pies se transfiere a la cadena que mueve las ruedas traseras por medio de la transmisión del vehículo. El carro se soporta gracias a tres ruedas de perfil V (descriptas en el apartado 3.2); dos superiores y una inferior que ruedan sobre el larguero central del chasis de acero inoxidable. Figura 18. Carro pedal deslizante 4.2. Carro manillar deslizante La barra del manillar hace las funciones de remo en el vehículo; al tirar de ella hacia atrás se transfiere movimiento a la cadena de transmisión. Con ella se controlan la dirección y el freno. Está compuesta de dos laterales de chapa donde se montan las ruedas de perfil V que giran sobre los raíles del chasis, una barra inferior donde se acopla la cadena por medio de un tornillo, y una superior donde se acopla la barra del manillar. En ella se monta también la guía del cojinete lineal que transmite el par a la barra de dirección. También puede observarse en la figura el sistema de varillaje de comando de la dirección. 15
Figura 19. Carro manillar deslizante 4.3. Asiento deslizante El asiento deslizante tiene cuatro ruedas con perfil en forma de V que le permiten desplazarse hacia adelante y hacia atrás sobre los raíles del vehículo. Si bien el movimiento no es muy extenso, a la hora de hacer la palada es necesario para ajustar las diferencias de recorrido del despliegue de las piernas, y del movimiento de los brazos y el torso del usuario. Está formado por un bastidor de acero donde se atornillan las ruedas y una cubierta plástica donde se sienta el usuario. Figura 20. Asiento deslizante 16
5. Trenes de ruedas 5.1. Ruedas delantera y trasera Las ruedas serán montadas a partir de una llanta, radios y cabecillas, buje central, disco de freno y neumático con cámara, todas piezas comerciales. Las traseras llevarán un buje sin rodamientos y con alojamiento para chaveta, para asegurar la transmisión. Las delanteras llevarán rodamientos dentro del buje, de manera tal que giren libremente. Figura 21. Detalles de las ruedas y sus bujes 5.2. Tren delantero y dirección El tren delantero está constituido por un bastidor reforzado que soporta las ruedas delanteras del vehículo, parte del sistema de dirección y las pinzas de freno. Los ejes verticales de la dirección están montados sobre rodamientos. 17
Figura 22. Tren delantero. 5.3. Tren trasero y transmisión El tren trasero está constituido por un bastidor reforzado que soporta las ruedas traseras del vehículo, parte del sistema de transmisión y las pinzas de freno. Dentro de las mangas transversales, montados sobre rodamientos, giran los palieres que dan movimiento a las ruedas. Al diferencial está acoplado, mediante rosca, un piñón libre de 22 dientes. Este se relaciona a través de una cadena de rodillos con una reducción compuesta por una corona de 16 dientes que es solidaria a otra de 22. Esta, a su vez se engrana, a través de la cadena principal (que está acoplada a los carros) con la corona frontal del vehículo, que cierra el sistema de transmisión. Figura 23. Tren trasero. 18
Figura 24. Detalle de la transmisión en el eje trasero 6. Transmisión Los carros deslizantes hacen un movimiento de vaivén hacia atrás y hacia adelante. Están relacionados entre sí por la cadena primaria que está dividida en dos secciones. Cada sección se acopla mediante tornillos a ambos carros. La sección delantera envuelve al piñón delantero que funciona como tensor y retorno. La sección trasera transmite par a un plato de 22 dientes que es solidario mediante eje a un piñón de 16. Este hace girar al piñón libre que está ensamblado al diferencial, por medio de la cadena secundaria. El diferencial transmite el par a los semiejes o palieres que mueven las ruedas. Figura 25. Descripción del sistema de transmisión 19
7. Sistema de frenos Los frenos se accionan con las dos palancas situadas en el manillar. Cada una acciona los frenos de las dos ruedas del mismo eje. La palanca tira de un cable de acero que a su vez está acoplado a otros dos en el distribuidor de freno. Los dos cables acaban en las pinzas de freno mecánicas de uno de los ejes. El distribuidor de freno está adosado al chasis del vehículo. Figura 25. Distribuidor de freno Figura 26. Disco y pinza de freno. 20
8. Resumen del presupuesto El precio total de la fabricación del vehículo asciende a 2317,40. 9. Conclusiones El diseño se ajusta a los requerimientos. A diferencia de otros modelos de vehículo con remos, el movimiento que se realiza para accionarlo es muy similar al del remo olímpico, por lo cual es viable utilizarlo para entrenamiento. Para mejorar el diseño puede agregarse un sistema de cambio de marchas en la trasmisión para que el ejercicio resulte más ligero o más demandante dependiendo de la necesidad. El presupuesto es inferior a 3000. Haciendo un cálculo aproximado, el peso supera los 20 kg. Este es un ítem a mejorar en modelos posteriores. 10. Relación de documentos Este proyecto consta de los siguientes documentos: 1. 2. Planos 3. Pliego de condiciones 4. Estado de mediciones 5. Presupuesto 21
ANEXOS 22
A. Descripciones técnicas A.1. Ruedas del vehículo Llantas ALEXRIMS Y303 20, 406X24, ERD: 393 http://www.alexrims.com/product_detail.asp?sc=0&cat=22&pid=90 Radios con cabecillas ALIENATION AN 194mm http://www.alienationbmx.com/parts/spokes/an spokes 23
Buje ruedas delanteras CIRCUSMONKEY HDH F http://www.circusbike.com/technology.php?&page=&page=2 Buje ruedas traseras SAMAGAGA FD HUB. http://www.samagaga.com/product.aspx?productid=special_%20hub01 24
http://www.samagaga.com/download/fd HUB C2 36H.PDF Disco de freno CLARKS 160mm WAVEY http://www.clarkscycles.com/index.php/html/product/pagetype/aftermarket/id/160mm wavey 160mm wavey rotor 25
Neumático MICHELIN CITY.J (44X406) http://bici.michelin.es/cubiertas/michelin city j#dim 26
Cámara MICHELIN AIRSTOP CITY TREKKING tipo G4 http://bici.michelin.es/cubiertas/michelin airstop city#dim 27
Kit de cable de frenos de acero inoxidable CLARKS 8012 A.2. Frenos Freno mecánico (caliper) CLARKS CMD 7 http://www.clarkscycles.com/index.php/html/product/pagetype/aftermarket/id/cmd 7 mechanicalbrake http://www.clarkscycles.com/index.php/html/product/pagetype/aftermarket/id/8012 stainlesssteel cable kit brake 28
Bridas UNEX 2244 0 para la sujeción de los cables de freno http://www.unex.biz/web/productos/seldirecta.asp Palancas de freno CLARKS CLK 370D http://www.clarkscycles.com/index.php/html/product/pagetype/aftermarket/id/clk 370d blackbrake lever A.3. Manillar Puños atornillados CLARKS CLO 201 B http://www.clarkscycles.com/index.php/html/product/pagetype/aftermarket/id/clo 201 b lock ongrip A.4. Carro pedal deslizante 29
Pedales WELLGO R025 W 5 MT 16 http://en.wellgopedal.com/index.php 30
A.5. Transmisión Diferencial SAMAGAGA DG72N http://www.samagaga.com/product.aspx?productid=dg7201 31
Piñón libre DNP LONG YIH LY 22TA83N ISO 606 082 1 22 dientes 1/2 x3/32 (12,7x2,38mm) Rosca 1 3/8-24 UNS (1,375mm x 24TPI) http://www.dnp.com.tw/pro2.asp?tmpedtion=english&page=4&id=5 Eje universal (para ajustar a medida en torno) SAMAGAGA UN AXLE http://www.samagaga.com/product.aspx?productid=standard_axle01 32
Punta de eje SAMAGAGA UN AXLE EX A http://www.samagaga.com/product.aspx?productid=standard_axle02 33
Piñón Fijo SOMA FABRICATIONS ISO 606 082 1 de 16 dientes 1/2 x3/32 (12,7x2,38mm) Rosca 1 3/8-24 UNS (1,375mm x 24TPI). http://www.somafab.com/archives/product/track cog in phosphate black Contratuerca piñón fijo SOMA FABRICATIONS Rosca 1 3/8-24 UNS (1,375mm x 24TPI). http://www.somafab.com/archives/product/track-lockring 34
Plato de transmisión BLACKSPIRE CHUCK RINGS Ref. 589 422 ISO 606 082 1 22 dientes 1/2 x3/32 (12,7x2,38mm). http://www.blackspire.com/qs/product/83/5948/263234/0/0 35
Tornillo y tuerca para plato de transmisión RUNLUX RCW 065 http://www.runlux.com.tw/b.htm Cadena ROHLOFF ISO 606 082 1 1/2 x3/32 (12,7x2,38mm) http://www.rohloff.de/en/technology/chaindrive/s_l_t_99/index.html 36
A.6. Dirección Buje lineal IGUS DRYLIN Q QJFM 02 20 http://www.igus.es/wpck/default.aspx?pagenr=7194&c=es&l=es http://www.igus cad.com/default.aspx?la=115&artnr=qjfm 02 20&mandant=INT¶mmode= 37
Rótulas MBO C10M6 DIN 71802 http://www.mbo osswald.com/standard products/linking technology/angle joints ball sockets ballstuds axial joints/angle joints/angle joints din 71802 form c form cs with threadedstud/detail/angle joints form c cs.html 38
B. Cálculos B.1. Rodamientos de la dirección DIN 625 6201 2RSR. Método de cálculo fabricante FAG Fr: Fuerza radial Fa: Fuerza axial f s : factor de esfuerzos estáticos C 0 : Capacidad de carga estática P 0 : Carga estática equivalente X 0 : Factor radial Y 0 : Factor axial Fa = F = 600 [N] C 0 = 3,1 [kn] =3100 [N] X 0 = 0,6 (para rodamientos rígidos de bolas) Y 0 = 0,5 (para rodamientos rígidos de bolas) Para 600 0,084 0,137 368 N 0,8 ; 600 368 1,36 0,8 Con 0,6 368 0,5 600 520,8 N 3100 520,8 5,95 5,95 2,5 El rodamiento está sobredimensionado aún para grandes solicitaciones. 39
B.2. Rodamientos del eje trasero DIN 625 6003 2RSR. Método de cálculo fabricante FAG Fr: Fuerza radial Fa: Fuerza axial C: Capacidad de carga dinámica P: Carga dinámica equivalente Fa = 0 C = 6 [kn] =6000 [N] Para 600 0,262 439 N 0,358 439 N 6000 439 2553 millones de vueltas El rodamiento está sobredimensionado aún para grandes solicitaciones 40
B.3. Perfil principal del chasis Perfil cuadrado estructural inoxidable AISI 304 de 35x35x2mm de pared. Caso más desfavorable. F = 600[N]. Punto: y = 23,5[mm]. Segundo momento de área aproximado a la figura de un rombo hueco. Momento de fuerzas: 48 47 43 48 30435 mm 4 600 1200 4 180000 Nmm Tensión normal a tracción en el punto más desfavorable: 180000 23,5 134 MPa 30435 Comprobación a fatiga: 1 2 2 134 0 2 134 0 2 700 MPa 240 MPa 67 MPa 67 MPa 4.45, 4.45 700. 0,784 0,808 35 35, 28,28 41
, 7,62 28,28, 7,62 0,869 1 Luego 0,784 0,869 240 164 MPa 1 67 164 67 700 0,5 2 El coeficiente de seguridad a fatiga es n = 2. No rompe. Comprobación estática en el punto más desfavorable. Punto: y = 23,5[mm] 195 134 1,46 El coeficiente de seguridad estático es n = 1,46. No rompe. 42
C. Seguridad y mantenimiento. Debe observarse con especial cuidado que no se produzca el atrapamiento de ninguna parte del cuerpo o la ropa entre las partes móviles del vehículo. La transmisión por cadena y los rayos de las ruedas son las partes que revisten más riesgo en este aspecto. Cuando se utilice el vehículo en carretera debe respetarse el código de circulación vigente que se adecue a cada situación particular. El mantenimiento del vehículo es mínimo. A continuación se hace una pequeña reseña de los cuidados que debe recibir: Antes de cada utilización del vehículo debe verificarse: El buen funcionamiento de los frenos delantero y trasero. Apriete de las tuercas de las ruedas. Desgaste y presión de los neumáticos. Que el manillar esté correctamente posicionado y apretado. La precisión y alineación de la dirección. Cada 500km, aproximadamente, debe verificarse: El correcto apriete de todas las uniones por tornillo. Holgura de los bujes de las ruedas. Tensión de los radios y centrado de las llantas. Correcto ajuste del sistema de dirección. Desgaste de las rótulas del varillaje de dirección. Desgaste del buje deslizante del sistema de dirección. Ajuste del sistema de frenos. Estado de las pastillas de freno. Estado de las vainas de los cables de freno. Estado de los neumáticos. Desgaste de las ruedas de guía de los carros. Desgaste de las ruedas dentadas del sistema de transmisión. Desgaste y extensión de las cadenas de transmisión. 43
Limpieza: Lavado con agua jabonosa aplicada con una esponja. Aclarar con agua. No aplicar otros productos químicos a las partes plásticas. Puede utilizarse algún pulimento o removedor de alquitrán para las partes pintadas. No utilizar sistemas de alta presión. Lubricación: (Una vez limpio el vehículo) Cadena, piñones y rótulas: grasa para cadenas en aerosol. No lubricar las guías del chasis de acero inoxidable. No lubricar la barra cuadrada de la dirección. El buje deslizante trabaja en seco. Limpiar de lubricante los discos de freno con alcohol o disolvente similar. Todos los rodamientos están lubricados de por vida. 44