CD-2286.pdf
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE POTENCIA NEUMÁTICO PARA ACOPLARLO A UNA BICICLETA COMERCIAL PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO JAIME VINICIO MOLINA OSEJOS [email protected] HUGO ALEJANDRO SALAZAR REYES [email protected] DIRECTOR: ING. FERNANDO JÁCOME Quito, junio del 2009 i DECLARACIÓN Nosotros, JAIME VINICIO MOLINA OSEJOS y HUGO ALEJANDRO SALAZAR REYES, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría, que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluye en este documento. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondiente a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la ley de propiedad intelectual, por su reglamento y por la normatividad institucional vigente. ___________________________________ Jaime Vinicio Molina Osejos __________________________________ Hugo Alejandro Salazar Reyes ii Certifico que bajo mi dirección la presente tesis fue realizada en su totalidad por los señores: JAIME VINICIO MOLINA OSEJOS HUGO ALEJANDRO SALAZAR REYES ________________________________ Ing. Fernando Jácome Director de Tesis iii Agradecimiento R A mi Dios por darme la sabiduría y la salud para terminar con éxito mis estudios. R A mis padres por haberme ayudado moral y económicamente durante mi vida estudiantil. R Al Ing. Fernando Jácome por la ayuda brindada en la realización del presente proyecto. R A la empresa FAROLMEC por creer en nosotros y financiar el proyecto. Jaime iv Agradecimiento R A Dios por guiar mis pasos cada día. R A mis padres por ser el pilar fundamental de mi desarrollo. R Al Ing. Fernando Jácome por la ayuda brindada en la realización del presente proyecto. R A la empresa FAROLMEC por creer en nosotros y financiar el proyecto. Alejandro v Dedicatoria A mi familia por su continuo apoyo, confianza y cariño. Jaime vi Dedicatoria A mis padres por creer en mí. Alejandro vii INDICE GENERAL CONTENIDO PÁGINA CAPITULO I ................................................................................................................ 1 1 GENERALIDADES .............................................................................................. 1 1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL ...................................................................................... 1 1.1.1 Ventajas .................................................................................................... 1 1.1.2 Desventajas ............................................................................................... 2 CAPITULO II ............................................................................................................... 3 2 MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 3 2.1.1 Aire ............................................................................................................ 3 2.1.2 Vapor de Agua........................................................................................... 3 2.2 CILINDROS NEUMÁTICOS ..................................................................................... 3 2.2.1 Tipos de Cilindros Neumáticos .................................................................. 4 2.3 VÁLVULAS NEUMÁTICAS....................................................................................... 8 2.3.1 Válvulas Por su Función ............................................................................ 9 2.3.2 Válvulas Por su Forma de Acondicionamiento ........................................ 15 2.4 TUBERÍA ........................................................................................................... 16 2.4.1. Montaje de Tuberías Flexibles ................................................................. 17 2.5 UNIONES Y ACCESORIOS NEUMÁTICOS ............................................................... 18 2.5.1 Adaptadores ............................................................................................ 18 2.5.2 Uniones ................................................................................................... 19 2.5.3 Codos ...................................................................................................... 19 2.5.4 Tes .......................................................................................................... 20 2.5.5 Uniones para Tubería Flexible ................................................................ 21 2.5.6 Silenciadores ........................................................................................... 21 2.6 MANÓMETROS .................................................................................................. 22 2.7 COMPRESORES DE AIRE .................................................................................... 22 2.7.1 Tipos de Compresores ............................................................................ 22 viii 2.8 TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO ......................................... 23 CAPITULO III ............................................................................................................ 25 3 PREFACTIBILIDAD ........................................................................................... 25 3.1 ESTUDIO DE MERCADO ..................................................................................... 25 3.1.1 Elaboración de las Encuestas ................................................................. 25 3.1.2 Procesamiento de datos Obtenidos en las Encuestas ............................ 27 3.1.3 Análisis de Resultados ............................................................................ 31 3.2 RESTRICCIONES DEL MEDIO ............................................................................... 33 3.2.1 Económicas ............................................................................................. 33 3.2.2 Tecnológicas ........................................................................................... 33 3.3 ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO ......................................................................... 33 CAPÍTULO IV............................................................................................................ 34 4 FACTIBILIDAD .................................................................................................. 34 4.1 ESTUDIO DE ALTERNATIVAS MECÁNICAS .............................................................. 34 4.1.1 Primera Alternativa .................................................................................. 34 4.1.2 Segunda Alternativa ................................................................................ 38 4.1.3 Tercera alternativa................................................................................... 41 4.2 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA MECÁNICA ......................................................... 43 4.2.1 Codificación ............................................................................................. 44 4.2.2 Factores de Selección ............................................................................. 44 4.3 ESTUDIO DE LAS ALTERNATIVAS NEUMÁTICAS ..................................................... 47 4.3.1 Primera Alternativa .................................................................................. 47 4.3.2 Segunda Alternativa ................................................................................ 50 4.4 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA NEUMÁTICA ....................................................... 54 4.4.1 Codificación ............................................................................................. 54 4.4.2 Factores de Selección ............................................................................. 54 4.5 DISEÑO DE LA ALTERNATIVA MECÁNICA .............................................................. 57 4.5.1 Nomenclatura .......................................................................................... 57 4.5.2 Tanque – Abrazaderas ............................................................................ 58 ix 4.5.3 Soporte Vertical de la abrazadera delantera ........................................... 67 4.5.4 Soporte Horizontal de los Acumuladores ................................................ 69 4.5.5 Cálculo del Brazo de Sujeción del Pistón ................................................ 71 4.6 ANÁLISIS DE FALLA ESTÁTICA (TEORÍA DEL MOMENTO MÁXIMO) ........................... 78 4.6.1 Nomenclatura .......................................................................................... 78 4.6.2 Abrazadera Trasera................................................................................. 78 4.6.3 Soporte Horizontal ................................................................................... 81 4.6.4 Brazo de Sujeción del Pistón ................................................................... 82 4.6.5 Cálculo de las Placas para las Charnelas ............................................... 87 4.6.6 Cálculo del pasador de las Charnelas ..................................................... 89 4.7 ANÁLISIS DE FATIGA........................................................................................... 91 4.7.1 Nomenclatura .......................................................................................... 91 4.7.2 Abrazadera Delantera ............................................................................. 91 4.7.3 Abrazadera Trasera................................................................................. 95 4.7.4 Soporte Vertical ..................................................................................... 102 4.7.5 Soporte Horizontal ................................................................................. 105 4.7.6 Brazo de Sujeción del Pistón ................................................................. 109 4.7.7 Placas Base de las Charnelas ............................................................... 113 4.7.8 Cálculo de los pasadores de las Charnelas .......................................... 116 4.8 MODELO MATEMÁTICO ............................................................................. 120 4.9 CÁLCULO DE LA ALTERNATIVA NEUMÁTICA ......................................................... 126 4.9.1 Cálculo de los Cilindros Neumáticos ..................................................... 126 4.9.2 Cálculo del Acumulador......................................................................... 132 4.9.3 Cálculo Para la construcción del Acumulador ....................................... 133 4.9.4 Cálculo del Peso de los Acumuladores ................................................. 137 4.9.5 Relación de Torque y Transmisión para las Diferentes Combinaciones de las Catalinas Impulsadoras e Impulsadas ........................................................ 139 x CAPÍTULO V........................................................................................................... 149 5 ESTUDIO ECONÓMICO .................................................................................. 149 5.1 PRESUPUESTO PARA LA BICICLETA ................................................................... 149 5.2 ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS ..................................................................... 150 5.3 ANÁLISIS ECONÓMICO PARA LA ADQUISICIÓN DE UN COMPRESOR DE ALTA PRESIÓN 158 5.3.1 Simbología ............................................................................................ 159 5.3.2 Formulario Económico ........................................................................... 159 5.3.3 Análisis de Punto de Equilibrio .............................................................. 161 CAPITULO VI.......................................................................................................... 164 6 PROTOCOLO DE PRUEBAS .......................................................................... 164 6.1 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA LA BICICLETA IMPULSADA POR AIRE COMPRIMIDO164 6.1.1 Materiales utilizados .............................................................................. 164 6.1.2 Datos de Condiciones Ambientales ....................................................... 164 6.1.3 Datos del Equipo ................................................................................... 165 6.1.4 Datos del Combustible .......................................................................... 165 6.1.5 Datos Obtenidos en la Prueba............................................................... 166 6.1.6 Cálculos ................................................................................................. 167 6.2 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA UNA MOTOCICLETA A GASOLINA ........................ 168 6.2.1 Medición de la Condición Ambiental...................................................... 168 6.2.2 Datos del Equipo ................................................................................... 169 6.2.3 Datos de Combustible ........................................................................... 169 6.2.4 Datos Obtenidos de la Prueba............................................................... 170 6.2.5 Cálculos ................................................................................................. 171 6.3 COMPARACIÓN ECONÓMICA ENTRE LA MOTOCICLETA Y LA BICICLETA NEUMÁTICA 172 6.3.1 motocicleta de 125 cc (4 tiempos) ......................................................... 172 6.3.2 Bicicleta Neumática ............................................................................... 173 6.4 PROYECCIÓN DE LOS COSTOS .......................................................................... 174 6.4.1 Motocicleta ............................................................................................ 174 xi 6.4.2 bicicleta neumática ................................................................................ 175 CAPITULO 7 ........................................................................................................... 178 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................... 178 7.1 CONCLUSIONES ......................................................................................... 178 7.2 RECOMENDACIONES................................................................................. 179 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 180 ANEXOS ................................................................................................................. 181 xii INDICE GRÁFICO PÁGINA Capítulo II Gráfico 2.1. Partes del Cilindro Neumático 4 Gráfico 2.2. Cilindro Neumático de Simple Efecto Normalmente en Retracción 5 Gráfico 2.3. Cilindro Neumático de Simple Efecto Normalmente en Expansión 5 Gráfica 2.4. Movimiento del Aire en un cilindro neumático 6 Gráfico 2.5. Cilindro de Movimiento angular 7 Gráfico 2.6. Cilindro Neumático de doble vástago 8 Gráfico 2.7. Representación de una válvula neumática 10 Gráfico 2.8. Representación de la simbología neumática 10 Gráfico 2.9. Válvula de Tres Vías y Dos Posiciones 11 Gráfico 2.10. Representación de Válvula Cinco Vías y Dos Posiciones 12 Gráfico 2.11. Válvula de Control de Presión 13 Gráfico 2.12. Mando Manual 15 Gráfico 2.13. Mando Mecánico 16 Gráfico 2.14. Montaje de Tuberías Flexibles 18 Gráfico 2.15. Adaptadores 18 Gráfico 2.16. Uniones 19 Gráfico 2.17. Codos 20 Gráfico 2.18. Tes 20 Gráfico 2.19. Tes desiguales 21 Gráfico 2.20. Racores 22 Capítulo III Gráfico 3.1. Pregunta 1 28 Gráfico 3.2. Pregunta 2 28 Gráfico 3.3. Pregunta 3 29 xiii Gráfico 3.4. Pregunta 4 29 Gráfico 3.5. Pregunta 5 30 Gráfico 3.6. Instalación de sistema de propulsión 30 Gráfico 3.7. Pregunta 6 31 Gráfico 3.8. Pregunta 7 31 Gráfico 3.9. Pregunta 8 32 Capítulo IV Gráfico 4.1. Vista Isométrica de la Alternativa1 37 Gráfico 4.2. Vista lateral de la Alternativa 1 37 Gráfico 4.3. Sistema Mecánico – Neumático de Propulsión 38 Gráfico 4.4. Sistema Mecánico – Neumático de Propulsión 38 Gráfico 4.5. Vista Isométrica de la Alternativa 2 40 Gráfico 4.6. Vista Frontal de la Alternativa 2 40 Gráfico 4.7. Sistema de Propulsión Mecánico – Neumático (Resorte estirado) 41 Gráfico 4.8. Sistema de Propulsión Mecánico – Neumático (Resorte en estado natural) 41 Gráfico 4.9. Vista Isométrica de la Alternativa 3 43 Gráfico 4.10. Vista Frontal de la Alternativa 3 43 Gráfico 4.11. Sistema de Propulsión Mecánico – Neumático 44 Gráfico 4.12. Circuito Neumático Alternativa 1 49 Gráfico 4.13. Alimentación de Aire Comprimido Alternativa 1 49 Gráfico 4.14. Funcionamiento del Circuito Neumático 50 Gráfico 4.15. Circuito Neumático 52 Gráfico 4.16. Alimentación de Aire Comprimido 52 Gráfico 4.17. Calibración de la Válvula Reguladora de Flujo 53 Gráfico 4.18. Funcionamiento del Circuito Neumático 54 Gráfico 4.19. D.C.L tanque – abrazadera 59 Gráfico 4.20. D.C.L tanque – abrazadera (Corregido) 60 xiv Gráfico 4.21. D.C.L. abrazadera delantera 60 Gráfico 4.22. D.C.L. abrazadera trasera 63 Gráfico 4.23. D.C.L. Tramo RH – O 64 Gráfico 4.24. D.C.L. tramo O – RD 66 Gráfico 4.25. D.C.L. Soporte vertical 68 Gráfico 4.26. D.C.L. Soporte horizontal 70 Gráfico 4.27. D.C.L. Brazo de Sujeción 73 Gráfico 4.28. D.C.L. Brazo de Sujeción 74 Gráfico 4.29. D.C.L. Tramo U – O 75 Gráfico 4.30. D.C.L. Tramo U – O (corregido) 75 Gráfico 4.31. D.C.L. Tramo O – f 77 Gráfico 4.32. D.C.L. Abrazadera trasera 79 Gráfico 4.33. Diagrama de corte 80 Gráfico 4.34. Diagrama de Momento flector 80 Gráfico 4.35. Corte de perfil para el momento de inercia 81 Gráfico 4.36. D.C.L. Soporte Horizontal junto con las jotas 82 Gráfico 4.37. Diagrama de Corte 82 Gráfico 4.38. Diagrama de Momento flector 82 Gráfico 4.39. Brazo de Sujeción del Pistón 83 Gráfico 4.40. Diagrama de Corte 84 Gráfico 4.41. Diagrama de Momento flector 84 Gráfico 4.42. Brazo de Sujeción del Pistón (eje x-z) 85 Gráfico 4.43. Diagrama de Corte 86 Gráfico 4.44. Diagrama de Momento flector 86 Gráfico 4.45. D.C.L. de la Charnela macho 88 Gráfico 4.46. D.C.L Pasador 90 Gráfico 4.47. Diagrama de Corte 90 Gráfico 4.48. Diagrama de Momento flector 91 Gráfico 4.49. Corte del perfil 93 Gráfico 4.50. Oreja de la abrazadera delantera 93 xv Gráfico 4.51. Esfuerzos Fluctuantes 95 Gráfico 4.52. Diagrama de Goodman 95 Gráfico 4.53. Gráfico de la Abrazadera Trasera 96 Gráfico 4.54. Corte del perfil 97 Gráfico 4.55. Oreja de la abrazadera trasera 98 Gráfico 4.56. Esfuerzos Fluctuantes 100 Gráfico 4.57. Diagrama de Goodman 100 Gráfico 4.58. Esfuerzos Fluctuantes 102 Gráfico 4.59. Diagrama de Goodman 102 Gráfico 4.60. Corte del perfil 103 Gráfico 4.61. Oreja de la Abrazadera delantera 104 Gráfico 4.62. Esfuerzos Fluctuantes 105 Gráfico 4.63. Diagrama de Goodman 105 Gráfico 4.64. D.C.L. del Soporte Horizontal 106 Gráfico 4.65. Corte del perfil 107 Gráfico 4.66. Agujero del Soporte horizontal 107 Gráfico 4.67. Esfuerzos Fluctuantes 109 Gráfico 4.68. Diagrama de Goodman 109 Gráfico 4.69. Gráfico del brazo de sujeción del Pistón 110 Gráfico 4.70. Corte del perfil 110 Gráfico 4.71. Agujero del brazo de soporte del Pistón 111 Gráfico 4.72. Esfuerzos Alternantes con Inversión Completa 113 Gráfico 4.73. Diagrama de Goodman 113 Gráfico 4.74. D.C.L. de la placa base de charnela 114 Gráfico 4.75. Corte del perfil 114 Gráfico 4.76. División de la placa base de Charnela 115 Gráfico 4.77. Esfuerzos alternantes 116 Gráfico 4.78. Diagrama de Goodman 117 Gráfico 4.79. D.C.L Pasador 117 Gráfico 4.80. Sección del pasador 118 xvi Gráfico 4.81. Esfuerzos Alternantes con Inversión Completa 119 Gráfico 4.82. Diagrama de Goodman 120 Capítulo V Gráfico 5.1. Punto de Equilibrio 163 Capítulo VI Gráfico 6.1. Comparación Económica entre la Motocicleta y la Bicicleta Neumática 177 xvii INDICE DE TABLAS PÁGINA Capítulo III Tabla 3.1. Especificaciones del Equipo 34 Capítulo IV Tabla 4.1. Selección de la alternativa 46 Tabla 4.2. Factores y Ponderaciones 46 Tabla 4.3. Ponderación 47 Tabla 4.4. Matriz de selección 47 Tabla 4.5. Solución de la matriz 47 Tabla 4.6. Selección de la alternativa Neumática 56 Tabla 4.7. Factores y Ponderaciones 56 Tabla 4.8. Ponderación 57 Tabla 4.9. Matriz de Selección 57 Tabla 4.10. Solución de la Matriz 57 Tabla 4.11. Selección de perfiles 120 Tabla 4.12. Para Obtención de Fuerza del Cilindro Neumático con Presión de 100 Psi 128 Tabla 4.13. Para Obtención de Fuerza del Cilindro Neumático con Presión de 80 Psi 128 Tabla 4.14. Para Obtención de Fuerza del Cilindro Neumático con Presión de 60 Psi 129 Tabla 4.15. Para Obtención de Fuerza del Cilindro Neumático con Presión de 40 Psi 129 Tabla 4.16. Selección del Cilindro Neumático (CONSUMO DE AIRE en pies cúbicos por pulgada de carrera) 130 Tabla 4.17. Selección del Cilindro Neumático (Para una presión de trabajo de 100 psi se escoge cilindro de 30 mm de diámetro) 130 Tabla 4.18. Selección del Cilindro Neumático (Para una presión de 131 xviii trabajo de 80 psi se escoge cilindro de 32 mm de diámetro) Tabla 4.19. Selección del Cilindro Neumático (Para una presión de trabajo de 60 psi se escoge cilindro de 38 mm de diámetro) 131 Tabla 4.20. Selección del Cilindro Neumático (Para una presión de trabajo de 40 psi se escoge cilindro de 46 mm de diámetro) 132 Tabla 4.21. Capacidad Útil de Tanque Dependiendo del Diámetro 135 Tabla 4.22. Espesor del Material para la Construcción de Acumulador de Acero 135 Tabla 4.23. Espesor del Acumulador de Diámetro de 150 mm 135 Tabla 4.24. Espesor del Acumulador de Diámetro de 200 mm 136 Tabla 4.25. Espesor del Acumulador de Diámetro de 250 136 Tabla 4.26. Espesor del Acumulador de Diámetro de 300 136 Tabla 4.27. Peso del tanque 138 Tabla 4.28. Fuerza Necesaria del Cilindro Neumático 143 Tabla 4.29. Relaciones de Torque y de Transmisión 144 Tabla 4.30. Distancia Recorrida (Considerando sin inercia y relación favorable a la fuerza necesaria) 147 Tabla 4.31. Distancia Recorrida (Considerando sin inercia y relación favorable a la distancia recorrida) 148 Capítulo V Tabla 5.1. Presupuesto 149 Tabla 5.2. Costos de la Compra de la Bicicleta 150 Tabla 5.3. Costo en Elementos de Inmovilización de Ejes 151 Tabla 5.4. Costos de Elementos de Sujeción 152 Tabla 5.5. Costos en la Adquisición de Gases y Aire 153 Tabla 5.6. Costos de los Elementos Neumáticos 154 Tabla 5.7. Costos de los Cilindros Neumáticos 155 Tabla 5.8. Costos de los Elementos de Suministro de Aire 156 Tabla 5.9. Costos de Ensamblaje 157 xix Tabla 5.10. Costo del Compresor 158 Tabla 5.11. Datos Técnicos del Compresor 158 Tabla. 5.12. Costo de Mantenimiento del Compresor 161 Tabla 5.13. Depreciación Económicamente Activa 161 Tabla 5.14. Información técnica para el llenado de acumuladores de 1 m3 161 Tabla 5.15. Punto de Equilibrio para compresor de alta 162 Capítulo VI Tabla 6.1. Condición Ambiental 164 Tabla 6.2. Datos Técnicos 165 Tabla 6.3. Costos del equipo 165 Tabla 6.4. Composición Química y Costo 165 Tabla 6.5 Proyección del Costos del Aire comprimido 166 Tabla 6.6 Datos de Funcionamiento 166 Tabla 6.7. Contaminación de Gases 166 Tabla 6.8. Niveles de Ruido 166 Tabla 6.9. Datos 167 Tabla 6.10. Resultados 168 Tabla 6.11. Condición Ambiental 168 Tabla 6.12. Datos Técnicos de la Moto 169 Tabla 6.13. Datos Técnicos de la Gasolina 169 Tabla 6.14. Historial del Precio de la Gasolina 170 Tabla 6.15. Información de Funcionamiento 170 Tabla 6.16. Emanación de Gases Tóxicos 170 Tabla 6.17. Emisión de Ruido 170 Tabla 6.18. Datos Obtenidos en la prueba 171 Tabla 6.19. Resultados 172 Tabla 6.20. Costo de una Motocicleta de 125 cc 172 Tabla 6.21. Costos Operacionales de la Motocicleta 172 Tabla 6.22. Costos para la Legalización de la Motocicleta 172 xx Tabla 6.23. Vida útil de la Motocicleta 173 Tabla 6.24. Costo de la bicicleta neumática 173 Tabla 6.25. Costos Operacionales de la bicicleta neumática 173 Tabla 6.26. Costos de legalización de la bicicleta neumática 173 Tabla 6.27. Vida útil de la bicicleta neumática 173 Tabla 6.28. Cálculo del VAN de la Motocicleta de la 125 cc 174 Tabla 6.29. Cálculo del VAN de la bicicleta neumática 175 Tabla 6.30. Cálculo del VAN en valor actual (bicicleta neumática) 176 Tabla 6.31. Cálculo del VAN en valor actual (motocicleta) 176 xxi INDICE DE ANEXOS Anexo AI “Elaboración de Encuestas” Anexo AII “Presentación de Resultados de las Encuestas Realizados” Anexo B “Simulación de la Energía del Aire Comprimido Por Unidad de Masa” Anexo C “Norma y Simbología Neumática” Anexo D “Fotografías del Prototipo” Anexo E “Hojas de Procesos” Anexo F “Planos de la Bicicleta Neumática” Anexo G “Planos de Montaje de la Bicicleta Neumática” xxii RESUMEN El presente proyecto es el diseño y construcción de un sistema de potencia que funciona utilizando la energía del aire comprimido, el cuál será instalado en una bicicleta convencional. El propósito de esta bicicleta propulsada por aire comprimido es: facilitar el transporte de las personas, reducir la congestión en las ciudades densamente pobladas (como lo es el Distrito metropolitano de Quito), disminuir los niveles de contaminación. La bicicleta consta de dos acumuladores de 1 m3 cada uno, los cuales distribuyen el fluido al circuito neumático, el cual está conformado por una válvula tres-dos de accionamiento manual, un regulador de flujo unidireccional y una válvula cinco-dos de palanca. El aire comprimido llega hasta los dos cilindros neumáticos, los mismos que están acoplados a los pedales de la bicicleta. La bicicleta neumática prototipo así construida cumple con los objetivos y expectativas planteadas respecto a su funcionamiento, transportando a los usuarios de un lugar a otro es forma segura. El proyecto concluye con un análisis económico del precio del aire comprimido en caso de adquirir un compresor de alta presión, y la comparación económica entre la bicicleta neumática y una motocicleta a gasolina de 125 centímetros cúbicos. xxiii PRESENTACIÓN No se puede decir que la utilización del aire comprimido como fuente de energía y locomotriz sea una tecnología de reciente aparición. En realidad, a finales del siglo XIX ya existían prototipos propulsados por aire comprimido en lo que a transportación pública se refiere. En la actualidad se está buscando otras alternativas de energía, por lo cual la utilización de aire comprimido para impulsar vehículos es una idea valedera. Este tipo de proyectos no han sido desarrollados en el país, no se realizan investigaciones por parte de las universidades que son las llamadas a llevar cabo este tipo de proyectos, mucho menos lo hace la empresa privada. La bicicleta propulsada por aire comprimido propuesta en este proyecto tiene la finalidad de contribuir con la disminución de la contaminación ambiental e impulsar una nueva forma de transportación y de energía en el país. 1 CAPITULO I 1 GENERALIDADES 1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL La bicicleta está conformada por dos tanques de almacenamiento llenos de aire comprimido a alta presión, el cual será utilizado como la energía de propulsión. El circuito neumático cuenta con válvulas y accesorios que sincronizarán la acción de los cilindros neumáticos, los cuales estarán acoplados al sistema de desplazamiento. 1.1.1 VENTAJAS • El sistema neumático no es contaminante, ya que su fuente de energía es el aire comprimido. • El aire es abundante, transportable, almacenable. • Se puede deshacer o reciclar los depósitos de aire comprimido con menos contaminación que las baterías. • El tanque puede ser de ser llenado más rápido que recargar una batería. • El aire no es inflamable, y por tanto es menos peligroso que el hidrógeno, la gasolina, el diesel. 2 1.1.2 DESVENTAJAS • A altas presiones la adquisición de aire comprimido resulta costoso. • Los acumuladores de alta presión resultan ser muy pesados, lo que dificulta su transporte. • Si el aire comprimido no es debidamente tratado antes de ser utilizado puede causar herramientas neumáticas. graves daños en las máquinas y 3 CAPITULO II 2 MARCO TEÓRICO 2.1. AIRE COMPRIMIDO 2.1.1 AIRE El aire es un fluido, el cual se encuentra en la naturaleza en forma de gas, por esta razón el aire puede ser adquirido con mucha facilidad y gracias a sus propiedades físicas puede ser comprimido. Un inconveniente del aire es que lleva consigo impurezas como polvo atmosférico y humedad, estas impurezas son perjudiciales para los elementos y dispositivos neumáticos, por lo que deben ser controladas adecuadamente. 2.1.2 VAPOR DE AGUA El vapor de agua es una fase en la que interactúan dos estados vapor y líquido, estas coexisten en equilibrio. La presencia de vapor de agua en el proceso de compresión de aire es inevitable, debido a las condiciones de presión y temperatura existentes en los tanques de almacenamiento, por esta razón se debe someter el aire comprimido a un proceso de secado antes de ser utilizado. 2.2 CILINDROS NEUMÁTICOS Un cilindro neumático es un elemento que realiza movimientos rectilíneos, transforma la energía del aire comprimido en energía mecánica, producida por la presión del fluido que actúa sobre la superficie del embolo del cilindro. Un cilindro neumático cuenta con las siguientes partes principales: 1. Émbolo. 2. Tubo cerrado. 3. Vástago. 4. Tapa delantera. 4 5. Tapa trasera. 6. Cámara positiva.- Es la carrera de avance. 7. Cámara negativa.- Es la que se encuentra en la carrera de retroceso. Gráfico 2.1. Partes del Cilindro Neumático 2.2.1 TIPOS DE CILINDROS N NEUMÁTICOS En el mercado existen xisten un sin número de cilindros neumáticos, entre los más conocidos se encuentran los siguientes: • Cilindros de simple efecto. • Cilindros de doble efecto. • Cilindro de movimiento angular. • Cilindros telescópicos. • Cilindro de membrana. • Cilindros gemelos o de doble vástago. • Cilindros tándem y triples. • Cilindros alternativos. • Cilindro de impacto. 5 2.2.1.1 Cilindro de Simple imple Efecto En este tipo de cilindros la presión del aire comprimido sobre la superficie se realiza en un solo sentido, para que el cilindro regrese a su posición inicial necesita la acción de otra fuerza, ya sea su propio peso o la fuerza de un muelle interno. Estos cilindros se dividen en: • Normalmente en retracción. • Normalmente en extensión. 2.2.1.1.1 Normalmente en Retracción La carrera útil de este tipo de cilindro se produce al la salida o extensión del vástago. Gráfico 2.2. Cilindro Neumático de Simple Efecto Normalmente en Retracción 2.2.1.1.2 Normalmente en Expansión Este en cambio se utiliza para halar, es decir la carrera útil es de retracción. Gráfico 2.3. Cilindro Neumático de Simple Efecto Normalmente en Expansión 6 2.2.1.2. Cilindro de Doble Efecto El cilindro cuenta con dos lumbreras la las cuales trabajan de manera nera alternada, es decir, por una de ellas ingresa el aire comprimido, éste desplazará el émbolo, mientras que por la otra lumbrera escapará el aire facilitando que el émbolo se deslice. Gráfica 2.4. Movimiento del Aire en un cilindro neumático 2.2.1.3. Cilindro de Movimiento Angular El cilindro de movimiento angular transforma el desplazamiento lineal del émbolo, émbolo producido por la acción del aire comprimido comprimido, en un movimiento de rotación. rotación Los ángulos los de giro más utilizados son de 120º, 180º, 270º y 360º. El ángulo de rotación depende de la longitud de carrera. La transformación del movimiento lineal a rotacional puede ser e efectuada fectuada de las siguientes maneras: • Por un conjunto de piñón y cremallera. • Por una cadena. • Por una rosca. 7 Gráfico 2.5. Cilindro de Movimiento angular 2.2.1.4. Cilindros Telescópicos Estos cilindros están formados por dos o más cilindros de diámetros progresivos, que actúan cada uno como si se tratase de cilindros individuales y cada uno calza exactamente dentro del diámetro inmediato superior. Por su complejidad este tipo de cilindros resultan sumamente costosos por lo que no es muy común su uso. 2.2.1.5. Cilindro de Membrana Está constituido de una membrana de goma dura, tensa que está situada entre dos láminas metálicas curvadas (abombadas). El vástago como en lo los s demás casos se encuentra en medio del émbolo. Debido a su constitución se trata de un cilindro muy sencillo, diseñado para distancias muy cortas (hasta 50 mm.), ), esta es la razón por la que su campo de aplicación es muy reducido. 2.2.1.6. Cilindros Gemelos o de Doble Vástago Se trata de un cilindro que cuenta con dos vástagos del mismo diámetro, uno opuesto al otro, los dos están acoplados al mismo émbolo. El cilindro tiene dos lumbreras por donde onde ingresa o sale el aire comprimido dependiendo del sentido de movimiento. 8 Gráfico 2.6. Cilindro Neumático de doble vástago 2.2.1.7. Cilindros tándem y triples El vástago tiene dos émbolos que duplican la fuerza de un cilindro normal, la ventaja de este te cilindro es que la fuerza que necesita para retor retornar nar es mucho menor que la que requiere al salir, lo cual permite ahorrar energía (cantidad de aire comprimido). 2.2.1.8. Cilindro Alternativo Los cilindros alternativos no requieren de válvulas externas externas,, pues se pueden conectar directamente a la línea de aire comprimido, pues lo los elementos de mando están incorporados en el cabezal del cilindro cilindro. Este tipo de cilindros son muy utilizados en la industria química y alimenticia. 2.2.1.9. Cilindros de Impacto Los cilindros trabajan a choque utilizando la energía cinética desarrollada desarroll por el émbolo que desplaza all vástago a gran velocidad, esto se logra gracias a que la presión va aumentando en el depósito hasta que el aire pasa rápidamente al cilindro. El movimiento iento del cilindro puede dar como resultado que la fuerza de impacto sea 200 veces la de un cilindro normal a la misma presión, y puede alcanzar velocidades de hasta 7(m/s). 2.3 VÁLVULAS NEUMÁTICAS Las válvulas neumáticas son dispositivos que regulan la pres presión, ión, caudal y dirección del aire comprimido a través de los elementos neumáticos y tuberías (rígida o flexible), por otra parte actúan como amplificadores o reductores de la potencia neumática. 9 El tamaño de las válvulas se especifica por medio de las medidas de las lumbreras, por ejemplo: la válvula de ½ in. tendrá lumbreras roscadas para conectarse interiormente a un tubo de ½ in. Las válvulas se clasifican por: su funcionalidad, la forma de accionamiento, comportamiento aerodinámico y su construcción, aunque esta última es de menor importancia. Las válvulas por su función se dividen en: • Válvulas de control direccional. • Válvulas de control de presión. • Válvulas de control de caudal. • Válvulas de bloqueo. • Válvulas de cierre. La clasificación según su forma de acondicionamiento es la siguiente: • Mando manual. • Mando mecánico. • Mando por solenoide. • Pilotadas. 2.3.1 VÁLVULAS POR SU FUNCIÓN 2.3.1.1. Válvulas de Control Direccional Las válvulas de control direccional permiten, que con un rápido movimiento se interrumpa, desvíe o deje pasar el flujo de aire. Las válvulas de control direccional se clasifican de la siguiente manera: • Válvula de dos vías. • Válvula de tres vías y dos posiciones. • Válvula de cuatro vías y dos posiciones. • Válvula de cinco vías y dos posiciones. • Válvula de cuatro vías y tres posiciones. 10 2.3.1.1.1 Simbología El símbolo de la válvula consta de un cuadrado en el que se señalan el número de lumbreras y los pasos del fluido, la variación de cada una de las posiciones se indica con un cuadro adyacente con los pasos correspondientes. La posición normal (no accionada) se indica con una línea fuera del cuadrado, y el paso del fluido se señala por medio de una flecha dentr dentro o del cuadro, como se puede ver a continuación. P o s i c i ó n d e l a v á l v u l a F l u j o d e a i r e c o m p r i m i d o V a r i a c i ó n d e l a p o s i c i ó n ( 2 p o s i c i o n e s ) L u m b r e r a Gráfico 2.7. Representación de una válvula neumática A la anterior simbología se añade un código de letras a las lumbreras, el cual se muestra a continuación: P = Entrada de presión (admisión). E = Escape. A = Salida principal (primera salida) B = Salida secundaria (segunda salida). Nota: A la entrada de aire comprimido también se la representa con un círculo y un punto en el centro, mientras que el empalme entre una salida y un conducto (Tubería), se lo hace ace con un triángulo. Gráfico 2.8. Representación de la simbología neumática Nota: La norma se encuentra en el ANEXO C 11 2.3.1.1.2 Válvula de Tres Vías y Dos P Posiciones La válvula cuenta con una lumbrera de entrada de aire y otra de salida, adicionalmente tiene un tercer orificio para la descarga del fluido, a este se le conoce como escape. En la posición normalmente cerrada, la válvula interrumpe el suministro de aire (1), mientras la salida (3) se conecta con la lumbrera (2) para que el flujo de aire pase. pase En la posición normalmente abierta, la lumbrera de escape (3) se bloquea, con lo cual, la lumbrera de entrada (1) y la lumbrera 2 se conectan y dan paso al flujo de aire. Gráfico 2.9 2.9. Válvula de Tres Vías y Dos Posiciones 2.3.1.1.3 Válvulas Cinco Vías y Dos Posiciones Consta de una lumbrera de entrada (1) y de dos salidas, una principal (2) y una secundaria (4), para ser utilizadas con dos escapes o descargas (3 y 5) respectivamente. En la posición uno, el aire pasa por 1 hacia 4, mientras que la lumbrera 2 está conectada con el escape 3. En la segunda posición, la lumbrera de entrada de aire 1 se conecta con 2, mientras 4 se conecta con el escape 5. 12 Gráfico 2.10.. Representación de Válvula Cinco Vías y Dos Posiciones 2.3.1.2 Válvulas de Control ol d de Presión Estas válvulas, son utilizadas para limitar el nivel máximo de presión admisible. (válvula de seguridad). La válvula está constituida de la siguiente la manera: 1. Mando regulador. 2. Muelle. 3. Diafragma de caucho. 4. Admisión de alta presión. 5. Descarga a presión reducid reducida. 6. Muelle de retorno. 7. Vástagos. 8. Arandela sintética en la caja metálica. 13 Gráfico 2.11 2.11. Válvula de Control de Presión 2.3.1.2.1 Funcionamiento Cuando el muelle se encuentra comprimido la válvula se encuentra abierta, abierta no existe presión. Cuando uando la presión actúa en el extremo de salida y esta fuerza ejercida en el diafragma supere la resistencia del muelle, la válvula se abre y deja pasar el flujo de aire. El muelle puede ser calibrado para reducir o aumentar la presión efectiva de salida. Las válvulas de control de presión se clasifican de la siguiente manera: • Válvulas de regulación de presión. • Válvulas limitadoras de presión. • Válvulas de secuencia. 14 2.3.1.2.2 Válvulas de Regulación de Presión Esta tiene como finalidad mantener la presión constante, sin importar las fluctuaciones que se presenten en el sistema. En las válvulas reguladoras de presión, la presión de entrada debe ser siempre superior a la de salida. 2.3.1.2.3 Válvulas Limitadoras de Presión Estas válvulas no permiten que la presión en el sistema supere al valor máximo admisible, al llegar a la presión máxima permitida, la salida se abre y deja escapar el aire al exterior. Por esta razón son utilizadas como válvulas de seguridad. 2.3.1.3 Válvulas de Control de Caudal Estas son válvulas de estrangulación o restricción, es decir controlan el flujo de aire comprimido, tienen una gran versatilidad, ya que permite la regulación del aire en ambos sentidos. Estas válvulas se clasifican en: • Válvulas de estrangulación constante. • Válvulas de estrangulación variable. • Válvulas de función combinada. 2.3.1.3.1 Válvulas de Estrangulación Constante Las válvulas de control de caudal, de estrangulación constante se dividen en: a. Válvulas de estrangulación En este tipo de válvulas, la longitud del segmento de estrangulación es mayor que su diámetro. b. Válvula de restricción de Tubería En esta válvula sucede todo lo contrario, es decir, que el tramo de estrangulación es menor que su diámetro. 2.3.1.3.2 Válvulas de Estrangulación Variable Este tipo de válvulas permite regular el caudal. 15 2.3.1.3.3 Válvulas de función Combin Combinada Este tipo de válvulas combinan mbinan varias funciones, por ejemplo: la función de retención y la función de no retorno, válvula de estrangulamiento con la retención independiente, etc. 2.3.2 2.3.2.1 VÁLVULAS POR SU FORM FORMA DE ACONDICIONAMIENTO Mando Manual Las válvulas de mando manual, se activan, al aplicar sobre ellas una fuerza humana. humana Entre las más utilizadas tenemos: válvulas generales, pulsadores, palanca y pedal. Estas válvulas son utilizadas en circuitos sencillos y con pocas repeticiones en el ciclo. Gráfico 2.12. Mando Manual 16 2.3.2.2 Mando Mecánico Se activan al aplicar directamente sobre ellas un esfuerzo mecánico. Entre estas tenemos: tipo leva, muelle y rodillo. Estas válvulas se deben n activar por medio de una máquina o mecanismo. Gráfico 2. 2.13. Mando Mecánico A las válvulas mecánicas y manuales se las conoce también como válvulas análogas. 2.3.2.3 Mando Neumático Las válvulas de accionamiento neumático pueden ser activadas por la acción del aire comprimido en ambos sentidos. Las válvulas pueden ser act activadas, por lo general, con una presión menor a la del sistema. Estas se clasifican en: a. Acondicionamiento Neumático directo. directo.- Es decir que el flujo de aire circula directamente por la válvula. b. Acondicionamiento Neumático Indirecto o por Pilotaje. Pilotaje.- En esta el aire entra a la válvula de servo pilotaje, la que activa el mando principal. principal 2.4 TUBERÍA La distribución del aire comprimido se la puede realizar por medio de tuberías, estas pueden ser de goma, plástico o metal. 17 La tubería flexible (mangueras de goma y plástico), son utilizadas cuando a lo largo de la instalación se requiera de varios cambios de dirección, como por ejemplo, curvas, codos, tes. Pero se debe poner mucha atención a las recomendaciones del fabricante, con respecto a las presiones que estas pueden soportar. La tubería rígida, es utilizada cuando las presiones de trabajo son bajas. Para elegir de forma correcta las tuberías se debe tener en cuenta los siguientes parámetros: • Presión de trabajo, nominal y máxima. • Pérdidas de presión admisible. • Variación de la presión de trabajo debido a oscilaciones. • Temperatura de trabajo del aire comprimido y del medio ambiente. • Esfuerzos externos sobre la conducción, como por ejemplo, torsiones, vibraciones, etc. • Distancia entre conexiones. • Velocidad del aire comprimido. • Caudal. 2.4.1. MONTAJE DE TUBERÍAS FLEXIBLES Para evitar pérdidas innecesarias y alargar la vida de las tuberías se debe seguir los siguientes pasos: 1. Evitar las curvas y codos de pequeños diámetros, pues originan pérdidas de presión debido a las curvaturas y estrangulación. 2. Intentar que las distancias entre conexiones sean cortas. 3. No dejar que las tuberías estén sometidas a torsión ni completamente rectas. 4. Cuando la tubería es corta, las conexiones pueden estar sometidas a esfuerzos transversales, esto traer graves problemas, como por ejemplo: la disminución de la estanqueidad. 5. Es recomendable que la tubería cuelgue verticalmente, a que esté en posición horizontal. 18 Gráfico 2.14 2.14. Montaje de Tuberías Flexibles 2.5 UNIONES Y ACCESORIOS NEUMÁTICOS Los acoples y los terminales son dispositivos de fácil montaje y desmontaje que q permiten asegurar el paso de aire comprimido entre los diferentes elementos neumáticos que conforman el circuito neumático. 2.5.1 ADAPTADORES Los adaptadores son elementos que permiten la unión entre extremos roscados de distinto diámetro. En el mercado existen dos tipos de adaptadores: macho y hembra. El adaptador macho es utilizado para conectar la tubería (rígida o flexible) con un cilindro o una válvula, en cambio el adaptador hem hembra bra se enrosca directamente con la tubería. A d a p t a d o r M a c h o A d a p t a d o r Gráfico 2.15. Adaptadores H e m b r a 19 2.5.2 UNIONES Las uniones son utilizadas para acoplar tuberías del mismo diámetro. Las uniones pueden ser: tabiques.- Son utilizadas para unir tuberías en los orificios de un a. Unión Pasa tabiques. bloque oque o un panel, que son fijados por medio de una tuerca. Los extremos pueden ser de doble macho o doble hembra. Los pasa tabiques también son utilizados para unir dos tuberías. b. Uniones Rectas.- Sirven para acoplar elementos neumáticos sin la necesidad de utilizar tubería. U n i ó n U n i ó n R e c t a P a s a T a b i q u e Gráfico 2.16. Uniones 2.5.3 CODOS Los codos son acoples rígidos de 45º y 90º. Estos son utilizados para evitar curvaturas en la tubería, especialmente cuando estas son de grandes diámetros, y cuando el espacio es limitado. Sin embargo las pérdidas en este accesorio son mayores que en una curvatura suave (curvatura de amplio radio) en la tubería. Gráfico 2.17. Codos 20 2.5.4 TES Las tes permiten acoplar una tercera tubería a la línea de distribución de aire comprimido. Existen dos tipos de tes: a. Tes Iguales.- Cuando las tres lumbreras de este elemento neumático son del mismo diámetro. Gráfico 2.18. Tes b. Tes desiguales.- Cuando dos de las tres lumbreras son del mismo diámetro. Gráfico 2.19. Tes desiguales 21 2.5.5 UNIONES PARA TUBERÍA FLEXIBLE Los dispositivos neumáticos para tubería flexible, son en espiral para evitar que debido a la presión las uniones se zafen. Sin embargo los nuevos racores son de fácil montaje y desmontaje. Este nuevo diseño se basa en la estanqueidad y se monta por la simple presión de la mano. Para la desconexión, basta con una ligera presión sobre el anillo (2) para contrarrestar la acción del bloqueo (5), en secuencia el cierre (4), facilitando la extracción de la tubería. Las uniones cuentan con las siguientes partes: 1. El tubo (no es parte del dispositivo neumático). 2. Anillo elástico. 3. Junta tórica. 4. Dientes de cierre. 5. Bloqueo. 1 2 5 4 3 R a c o r e s R á p i d o s Gráfico 2.20. Racores 2.5.6 SILENCIADORES Los silenciadores amortiguan las vibraciones y ruidos, que se producen en el sistema de distribución debido al escape de aire. Estos dispositivos se colocan directamente en los escapes de herramientas y elementos neumáticos. Básicamente un silenciador está formado por una malla cónica, con una gran área de salida, con lo que se disminuye la presión de retroceso, lo que origina la disminución del ruido y las vibraciones. 22 2.6 MANÓMETROS Los manómetros miden la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica. La suma de presión atmosférica y la manométrica se denomina presión absoluta. 2.7 COMPRESORES DE AIRE El compresor es una máquina que absorbe el aire del medio ambiente, eleva su presión y lo envía a un tanque de almacenamiento, la presión se eleva reduciendo el volumen específico del aire. La capacidad real de un compresor es menor que el volumen desplazado, debido a las siguientes razones: • Caída de presión en la succión. • Calentamiento del aire de entrada. • Expansión del gas retenido en el volumen muerto. • Fugas internas y externas. 2.7.1 TIPOS DE COMPRESORES En el mercado existen varios tipos de compresores, dependiendo de las necesidades y características de trabajo, entre los cuales tenemos: • De pistón. • De membrana. • De paletas deslizantes. • Rotativos de tornillo. • Rotativos Roots. • Axial. • Radiales. 23 2.7.1.1 Compresor de Pistón Son los de uso más difundido, la compresión del aire se efectúa por el movimiento alternativo de un pistón accionado por un mecanismo de biela-manivela. Este funciona de la siguiente forma: En la carrera descendente se abre la válvula de admisión y el cilindro se llena de aire, se cierra la válvula de admisión, la carrera ascendente comprime el aire, y sale por la válvula de descarga. El campo de utilización de estos compresores va desde 50 a 25.000 m3/h de capacidad y presiones desde 2 a 2.000 bares. 2.8 TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO Las funciones principales del depósito son: • Obtener una considerable acumulación de energía para afrontar “picos” de consumo que superen la capacidad del compresor. • Contribuir al enfriamiento del aire comprimido y la disminución de su velocidad, actuando así como separadores de condensado y aceite provenientes del compresor. • Amortiguar las pulsaciones originadas en los compresores, sobre todo en los alternativos. • Permitir la regulación del compresor compensando las diferencias entre el caudal generado y el consumido, los cuales normalmente trabajan con regímenes diferentes. Su capacidad dependerá de las características de la demanda del aire en la red. Esta puede ser: 24 • Constante • Intermitente • Instantánea Los accesorios mínimos que deberá incluir son: • Válvula de seguridad • Manómetro • Grifo de purga • Boca de inspección La Válvula de seguridad debe ser regulada a no más de un 10% por encima de la presión de trabajo y deberá poder descargar el total del caudal generado por el compresor. Deberá contar además con un dispositivo de accionamiento manual para poder probar periódicamente su funcionamiento. También se deberá instalar un regulador de presión que permita independizar la presión de trabajo del compresor de aquella con la que operan los sistemas de regulación (normalmente de 4 a 6 bares). Los tanques de almacenamiento deben estar lo más cerca posible del compresor para evitar efectos de pulsaciones en la tubería. 25 CAPITULO III 3 PREFACTIBILIDAD 3.1 ESTUDIO DE MERCADO Por medio del estudio de mercado se podrá obtener información sobre la oferta y demanda existente en el mercado nacional, así como algunas especificaciones técnicas. También permitirá tener una idea clara del segmento de mercado al que el producto estará dirigido. 3.1.1 ELABORACIÓN DE LAS ENCUESTAS 3.1.1.1 Propósito de las Encuestas Las encuestas fueron realizadas a personas de 15 años de edad en adelante, domiciliadas en la ciudad de Quito. La encuesta servirá para confirmar o desechar la existencia del problema en la transportación pública y el interés que la gente tenga en la utilización de un medio de transporte ecológico y económico, como una bicicleta impulsada por aire comprimido. La encuesta también tiene la finalidad de dar a conocer a las personas, de un proyecto innovador y revolucionario en el Ecuador y sobre todo en la ciudad de Quito en lo referente a la transportación. 3.1.1.2 Descripción de la encuesta La encuesta consta de 8 preguntas (Ver Anexo AI). La encuesta abarca las siguientes preguntas: ¿Tiene problemas al transportarse de un lugar a otro en la ciudad de Quito? ¿Estaría dispuesto a trasladarse a su lugar de trabajo o estudio en una bicicleta? ¿Dispone usted de una bicicleta? 26 SI DISPONE DE UNA BICICLETA ¿Estaría dispuesto a instalar en esta un sistema de propulsión que facilite su trasporte? SI NO DISPONE DE UNA BICICLETA ¿Estaría dispuesto a adquirir una bicicleta? SI SU RESPUESTA ANTERIOR ES AFIRMATIVA: Instalaría el sistema No instalaría el sistema de Propulsión de propulsión Cuál es la distancia aproximada que recorre diariamente: Cuanto tiempo se demora en ir a su destino Su edad está entre los….…… La mayor parte de la encuesta tiene preguntas de afirmación o negación, mientras que la parte restante tiene preguntas de opción múltiple, las preguntas pretenden ser objetivas, rápidas y de fácil entendimiento. Se realizaron 51 encuestas desde el 20 de octubre 2008 hasta el 24 de octubre 2008. 3.1.1.3 Personas Encuestadas Se realizaron las encuestas a personas desde los 15 años en adelante. Las encuestas fueron realizadas en varios sectores de la ciudad de Quito, como por ejemplo: la plaza grande, en el centro comercial CCI, en la Escuela Politécnica Nacional, la Universidad Central del Ecuador y en el colegio Luis Fidel Martínez. (Ver tabla de las personas encuestadas Anexo AII). 27 3.1.2 PROCESAMIENTO DE DAT DATOS OBTENIDOS EN LAS ENCUESTAS 3.1.2.1 Despliegue de Resultados 1. ¿Tiene problemas al transportarse de un lugar a otro en la ciudad de Quito? Pregunta #1 80,00% 60,00% 40,00% 20,00% 0,00% Sí No Gráfico 3.1. Pregunta 1 2. ¿Estaría dispuesto a trasladarse a su lugar de trabajo o estudio en una bicicleta? Pregunta #2 49% 51% Gráfico 3.2. Pregunta 2 Sí No 28 3. ¿Dispone usted de una bicicleta? Pregunta #3 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% Sí No Gráfico 3.3. Pregunta 3 4. SI DISPONE DE UNA BICICLETA ¿Estaría dispuesto a instalar en esta un sistema de propulsión que facilite su trasporte? Pregunta #4 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% Sí No Gráfico 3.4. Pregunta 4 29 5. SI NO DISPONE DE UNA BICICLETA ¿Estaría dispuesto a adquirir una bicicleta? Pregunta #5 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% Sí No Gráfico 3.5. Pregunta 5 SI SU RESPUESTA ANTERIOR ES AFIRMATIVA: Instalaría el sistema No instalaría de el sistema Propulsión de propulsión Sistema de Propulsión 90,00% 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% Si intalarían No instalarían Gráfico 3.6 .6. Instalación de sistema de propulsión 30 6. Cuál es la distancia aproximada que recorre diariamente: Pregunta 6 Número de Personas 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Hasta 10 km De 11 a 20 km Más de 20 km Distancia Recorrida (km) Gráfico 3.7. Pregunta 6 La distancia que recorren las personas diariamente fue medida en un mapa plano guía de Quito, (ver ver tabla de datos en el anexo AII AII). 7. Cuanto tiempo se demora en ir a su destino Pregunta #7 37,00% 36,00% 35,00% 34,00% 33,00% 32,00% 31,00% 30,00% 29,00% 28,00% hasta 30 minutos 31 minutos a 1hora mas de 1 hora Gráfico 3.8. Pregunta 7 31 8. Su edad está entre los….…… Pregunta #8 100,00% 80,00% 60,00% 40,00% 20,00% 0,00% Hasta 25 años 26 a 35 años hasta 36 años Gráfico 3.9. Pregunta 8 3.1.3 ANÁLISIS DE RESULTAD RESULTADOS ¿Tiene problemas al transportarse en la ciudad de Quito? El 67.67% de las personas encuestadas tienen problemas de trasporte, trasporte las causas que provocan el descontento de las personas se debe a las congestiones vehiculares que se dan en las horas pico, otra de las cau causas sas es el maltrato a los que están expuestos en el transporte público. Se e ha demostrado la insatisfacción de la gente frente al transporte transporte,, por lo cual queda justificada la necesidad de buscar e implementar un nuevo medio de transporte dentro de la ciudad de Quito. ¿Estaría dispuesto a trasladarse a su lugar de trabajo o estudio en una bicicleta? El 51% de las personas estarían dispuestas a movilizarse dentro de la cuidad en una bicicleta, y un 49% no lo estarían, la razón es que cuidad la de Quito presenta una descripción geográfica muy especial debido a la existencia de iinnumerables nnumerables cuestas que complican el trasladarse de un lugar a otro dentro de la ciudad, pero la mayoría 32 coincide que la distancia que deben trasladarse diariamente no les permitiría transportarse en un bicicleta. ¿Dispone usted de una bicicleta? El 71% de las personas encuestadas señalaron que cuentan con una bicicleta, la cual usan por diversión. ¿Estaría dispuesto a instalar en ésta un sistema de propulsión que facilite su trasporte? De las personas que contaban con una bicicleta el 75% instalarían un sistema de propulsión, que en este caso se trata de uno aire comprimido, la finalidad de esta pregunta era averiguar si el producto tendría aceptación en el mercado, se puede ver que la gente estaría dispuesta a incorporar este sistema de propulsión, el cual les resultaría más económico ya que cuentan con la bicicleta. Esto podría generan una nueva fuente de trabajo en la ciudad y posiblemente en todo el país. Si no dispone de una bicicleta ¿Estaría dispuesto a adquirir una bicicleta? El 29% de las personas encuestadas no tienen bicicleta, pero de este porcentaje más de la mitad estaría dispuesto en adquirirlo una, de estos el 80% estaría dispuesto a implementar el sistema de propulsión o en su defecto adquirir la bicicleta con el sistema de propulsión ya incorporado, se concluye entonces que existe un gran mercado en el que se podría incursionar. Cuál es la distancia aproximada que recorre diariamente El propósito de esta pregunta es investigar la distancia promedio que una persona se traslada frecuentemente. Los resultados arrojaron que el 79% de los encuestados se trasladan aproximadamente 20 km en el día, por lo tanto el vehículo debería tener por lo menos una autonomía de 25 km. Su edad está entre los: El producto tendría una mayor acogida en la gente de 15 a 25 años de edad 33 3.2 RESTRICCIONES DEL MEDIO Las restricciones que el medio pueda presentar, limitan de forma considerable las posibilidades de desarrollo, en nuestro país existen varias de estas limitaciones. Para el desarrollo del presente trabajo existen las siguientes restricciones. 3.2.1 ECONÓMICAS La restricción más importante es la económica, ya que la gente no cuenta con suficientes recursos económicos, el principal objetivo es el diseño y construcción de un producto sencillo, seguro y económicamente accesible, para esto se va a utilizar materia prima existente en el mercado nacional y evitar en lo posible la importación, con lo cual disminuirá ostensiblemente los costos de producción. 3.2.2 TECNOLÓGICAS Esta restricción provoca que en el mercado local exista dificultad para obtener algunos de los componentes que forman parte del sistema de movimiento, como por ejemplo: acumuladores, cilindros neumáticos. 3.3 ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO Debido a que al principio se estableció comercializar el equipo a nivel local, es importante que las especificaciones de este, estén acorde a las necesidades del medio, como son las condiciones geográficas de la sierra ecuatoriana (ver Anexo AII, pregunta 2), la distancia de desplazamiento y la población meta, el equipo debe tener las siguientes características: Especificaciones Técnicas Unidad Autonomía de desplazamiento Entre 11 y 20 kilómetros Velocidad del Equipo Entre: 20 y 30 km/h Precio Hasta: 800 USD Tabla 3.1. Especificaciones del Equipo 34 CAPÍTULO IV 4 FACTIBILIDAD 4.1 ESTUDIO DE ALTERNATIVAS MECÁNICAS 4.1.1 PRIMERA ALTERNATIVA La primera alternativa está constituida por dos cilindros neumáticos de doble efecto, estos cilindros se encuentran a los lados de la bicicleta, es decir, un cilindro está ubicado al lado derecho mientras el otro al lado izquierdo. También consta de dos acumuladores, ubicado de la misma forma que los cilindros neumáticos. Los pedales son modificados para ensamblarlos con los vástagos de los cilindros, los mismos que transmitirán el movimiento a la catalina frontal, la cual transformará el movimiento lineal del vástago en un movimiento rotacional que impulsará la bicicleta. Los elementos pueden ser construidos en un taller que cuente con máquinas y herramientas básicas, con excepción de las válvulas, la tubería flexible, los cilindros neumáticos, los acumuladores y la bicicleta, estos serán adquiridos en el mercado local. 35 4.1.1.1 Ventajas • Esta alternativa utiliza el sistema de catalinas originales de la bicicleta para disminuir la fuerza necesaria de movimiento, disminuyendo el diámetro necesario de los cilindros neumáticos, el consumo de aire disminuye proporcionalmente al diámetro del actuador. • Las maquinas y herramientas que se necesitan para construir los elementos son muy accesibles en nuestro medio y no se necesitan de máquinas de gran precisión. • Los materiales a utilizarse en la construcción de los componentes se encuentran fácilmente en el mercado local y son económicos. • El movimiento de traslación con el sistema de doble cilindro es más uniforme, y permite mayor control, seguridad y comodidad en su conducción. • El costo de manufactura del sistema mecánico es bajo. 4.1.1.2 Desventajas • Necesita dos cilindros neumáticos lo cual incrementa el costo. • Utiliza un circuito neumático más complejo, lo que se traduce en más dispositivos. 36 Gráfico 4.1. Vista Isométrica de la Alternativa1 Gráfico 4.2. Vista lateral de la Alternativa 1 37 Gráfico 4.3. Sistema Mecánico – Neumático de Propulsión Gráfico 4.4. Sistema Mecánico – Neumático de Propulsión 38 4.1.2 SEGUNDA ALTERNATIVA En la segunda alternativa el sistema motriz está conformado de un solo cilindro neumático, en el cual la cadena de la bicicleta está conectada directamente al vástago del cilindro neumático, mientras el otro extremo de la cadena se encuentra enlazado con un resorte. El resorte inicialmente se encuentra en su estado natural y el actuador se encuentra extendido, al introducir aire comprimido, el émbolo es empujado hacia el otro extremo del cilindro, lo cual produce que el vástago ingrese y hale la cadena, elongando el muelle, al finalizar la acción del aire comprimido, el resorte hala la cadena obligando que el actuador retorne a su posición inicial. Esto produce el movimiento rotacional en la catalina posterior, la misma que impulsará a la bicicleta, de igual manera esta alternativa también cuenta con dos acumuladores a los costados de la bicicleta. 4.1.2.1 Ventajas • El circuito neumático es simple, por lo tanto el costo disminuye. 4.1.2.2 Desventajas • El cilindro neumático debe ser de gran diámetro, dado que esta alternativa elimina el sistema de catalinas. • El movimiento de traslación no es uniforme, ya que el movimiento se produce por acciones intermitentes por parte del actuador. • La alternativa consta de un muelle especial, que no oponga demasiada resistencia al cilindro neumático pero que almacene en su elongación la energía necesaria para extender de nuevo el actuador, este resorte no es muy fácil conseguir en el mercado local. • La fuerza desarrollada por el cilindro neumático puede causar arranques violentos, en consecuencia producir accidentes. 39 Gráfico 4.5. Vista Isométrica de la Alternativa 2 Gráfico 4.6. Vista Frontal de la Alternativa 2 40 Gráfico 4.7. Sistema de Propulsión Mecánico – Neumático (Resorte estirado) Gráfico 4.8. Sistema de Propulsión Mecánico – Neumático (Resorte en estado natural) 41 4.1.3 TERCERA ALTERNATIVA En esta alternativa se cuenta con un cilindro rotativo, instalado en la parte trasera de la bicicleta, cuyo embolo giratorio lleva montado un engranaje conductor en contacto con un engranaje conducido construido para ser montado en el eje de la llanta trasera y así producir el movimiento rotacional necesario en la llanta. La catalina, la cadena y los pedales son sustituidos por completo por el engranaje, que será el encargado de transmitir el torque a la rueda posterior para iniciar con el movimiento de traslación. De igual manera que las anteriores alternativas cuenta con dos tanques de almacenamiento de aire comprimido. 4.1.3.1 • Ventajas Circuito neumático simple por lo cual los costos a nivel neumático disminuyen. 4.1.3.2 Desventajas • El cilindro rotativo al superar los 120º en su ángulo de giro disminuye considerablemente su eficiencia, además el engranaje debería ser muy grande para disminuir el torque necesario y superar la inercia. • La construcción de engranajes es muy costosa, además necesita de un tratamiento térmico para elevar su vida útil. • La catalina de la bicicleta no realiza trabajo cuando gira al lado contrario, por lo que en el retorno del cilindro rotacional, se desperdicia aire comprimido. 42 Gráfico 4.9. Vista Isométrica de la Alternativa 3 Gráfico 4.10. Vista Frontal de la Alternativa 3 43 Gráfico 4.11. Sistema de Propulsión Mecánico – Neumático 4.2 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA MECÁNICA Para una adecuada selección de la alternativa se consideran los siguientes parámetros: Seguridad.- Este parámetro está basado en la uniformidad del desplazamiento que el sistema mecánico – neumático proporciona a la bicicleta, por esta razón la primera alternativa es la más segura, pues al tener dos cilindros neumáticos el movimiento es más uniforme, mientras que las dos siguientes alternativas presentan un movimiento más brusco e irregular. Costo.- Como es de conocimiento general para que un proyecto llame la atención de la gente, este debe ser económico. En este caso la segunda alternativa resulta ser la de menor costo en comparación con las otras dos y la tercera alternativa resulta ser la más costosa debido a que el cilindro neumático utilizado es especial y además necesita de un proceso de fabricación de engranajes. 44 Funcionalidad.- En este caso se refiere a la eficiencia de la bicicleta propulsada por aire comprimido. La primera alternativa resulta ser la más eficiente, ya que cuenta con dos cilindros de pequeño diámetro lo cual reduce el consumo de aire. Como ya se mencionó la tercera alternativa es de menor eficiencia, ya que desperdicia aire para que el cilindro rotativo regrese a su posición inicial. Peso.- El peso está directamente relacionado con la funcionalidad, ya que se debe considerar que al aumentar el peso se requiere mayor fuerza por parte de los cilindros neumáticos para realizar el mismo trabajo, por lo tanto la primera alternativa es la más adecuada, pues los cilindros son relativamente pequeños gracias al sistema de cambios que proporcionan las catalinas. Las otras alternativas no poseen el sistema de cambios por lo que utilizan un solo cilindro neumático de gran diámetro, por lo que su peso total se incrementa. Facilidad de construcción.- La segunda alternativa resulta la más simple de construir, pues solo se debe comprar los componentes y montarlos en la bicicleta. La tercera opción requiere de la construcción de engranajes, realización de tratamientos térmicos, por lo que se necesitan máquinas de precisión, además se deben tomar en cuenta tolerancias para su montaje, convirtiéndola en la opción más complicada. A continuación se presenta la tabla de ponderación en orden de importancia: 4.2.1 CODIFICACIÓN A. Primera Alternativa. B. Segunda Alternativa. C. Tercera Alternativa. 4.2.2 FACTORES DE SELECCIÓN I. Seguridad. II. Costo. III. Funcionalidad IV. Peso. V. Facilidad de construcción. 45 Los factores para la selección de la alternativa están enumerados en orden de importancia en forma descendente. Para la ponderación se utilizará una escala del 1 – 100, es decir, la mejor alternativa en un determinado factor tendrá una puntuación de 100 puntos. Alternativas Factores A B C Seguridad 100 70 70 Costo 70 100 50 Funcionalidad 100 80 50 Peso 100 90 50 Facilidad de Construcción 80 100 40 Sumatoria de Ponderación 450 440 260 Tabla 4.1. Selección de la alternativa Conclusión: Por los valores obtenidos la alternativa seleccionada es la primera. 4.2.2.1 Ponderación de los Factores de Selección Factores Ponderación Seguridad 35 Costo 25 Funcionalidad 20 Peso 10 Facilidad de Construcción 10 Sumatoria de Ponderación 100 Tabla 4.2. Factores y Ponderaciones 46 4.2.2.2 Matriz de Selección de la Alternativa Mecánica Factor I Alternativas II III IV V Ponderación A 100 70 100 100 80 35% I B 70 100 80 90 100 25% II C 70 50 50 40 20% III ∑ 240 220 230 240 220 10% IV 10% V 50 Tabla 4.3. Ponderación Factor Alternativas I II III IV V Ponderación A 0,417 0,32 0,43 0,42 0,364 0,35 I B 0,292 0,45 0,35 0,38 0,455 0,25 II C 0,292 0,23 0,22 0,21 0,182 0,20 III 0,10 IV 0,10 V ∑ 1 1 1 1 1 Tabla 4.4. Matriz de selección Solución: A 0,39 B 0,37 C 0,24 Tabla 4.5. Solución de la matriz Conclusión: Con la matriz se confirma que la primera alternativa es la más adecuada. 47 4.3 ESTUDIO DE LAS ALTERNATIVAS NEUMÁTICAS Una vez seleccionada la alternativa mecánica, se analizarán las alternativas neumáticas que mediante un circuito permitirán el movimiento sincronizado de los actuadores. A continuación se presentan las alternativas neumáticas: 4.3.1 PRIMERA ALTERNATIVA La alternativa cuenta con dos cilindros neumáticos, se utilizará una válvula cinco – dos de accionamiento neumático, la cual distribuirá el aire a los dos actuadores. La válvula cinco – dos será accionada por aire comprimido proveniente de la salida de cada una de las dos válvulas tres-dos de accionamiento mecánico por rodillo. El circuito también cuenta con una válvula reguladora de flujo unidireccional para controlar el caudal del aire comprimido que llegará a los cilindros neumáticos y así prevenir la arranque violenta de la bicicleta. Una válvula tres – dos accionada manualmente sirve como interruptor para iniciar el funcionamiento del circuito neumático, así como para detenerlo, esta se encarga de permitir el paso del aire desde los tanques de aire comprimido hacia el circuito. Debido a que los tanques de almacenamiento tienen una presión interna de aproximadamente 2000 psi (138 bares), se utilizarán válvulas reguladoras de presión para cada uno de los acumuladores, y así obtener la presión de trabajo. Esta alternativa es completamente automática, lo único que el conductor puede controlar es el flujo de aire y el paso del mismo al circuito. 4.3.1.1 • Desventaja Debido al número de dispositivos y accesorios neumáticos, el costo es elevado. • Para detener la bicicleta se deberá primero cortar el flujo de aire y luego aplastar los frenos. 48 Gráfico 4.12. Circuito Neumático Alternativa 1 Gráfico 4.13. Alimentación de Aire Comprimido Alternativa 1 49 Gráfico 4.14. Funcionamiento del Circuito Neumático 50 4.3.2 SEGUNDA ALTERNATIVA Esta alternativa utilizará una válvula cinco – dos de accionamiento manual y de retorno con resorte, para distribuir el aire comprimido a los cilindros neumáticos. La válvula cinco – dos es alimentada directamente desde la válvula controladora de flujo unidireccional, la cual está conectada con una válvula tres – dos de accionamiento manual, esta última actúa como interruptor de inicio y apagado del circuito neumático. El circuito también cuenta con una válvula reguladora de flujo unidireccional para controlar el caudal del aire comprimido que llegará a los cilindros neumáticos y así prevenir el arranque violento de la bicicleta. Debido a que los tanques de almacenamiento tienen una presión interna de aproximadamente 2000 psi (138 bares), se utilizarán válvulas reguladoras de presión para cada uno de los acumuladores, y así obtener la presión de trabajo. 4.3.2.1 Ventajas • Debido a la disminución del número de dispositivos neumáticos, disminuye también el número de accesorios neumáticos, por esta razón el costo se reduce. • Esta alternativa manual no requiere cortar por completo el flujo de aire al circuito, tan solo basta con dejar de accionar la palanca de la válvula cinco – dos para detener el flujo de aire que alimenta a los actuadores neumáticos. 4.3.2.2 Desventajas • El funcionamiento no es automático. 51 Gráfico 4.15. Circuito Neumático Gráfico 4.16. Alimentación de Aire Comprimido 52 Gráfico 4.17. Calibración de la Válvula Reguladora de Flujo 53 Gráfico 4.18. Funcionamiento del Circuito Neumático 54 4.4 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA NEUMÁTICA Para una adecuada selección de la alternativa se considerarán los siguientes parámetros: Seguridad.- El grado de seguridad está determinado por la rapidez con la que se puede cortar el paso de aire a los cilindros neumáticos antes de frenar, por esta razón la segunda alternativa es la más segura, pues la válvula cinco – dos es operada manualmente por el conductor, por lo que tiene mayor control del flujo de aire que llega a los actuadores neumáticos. Costo.- Este parámetro depende de la cantidad de dispositivos y accesorios neumáticos. La segunda alternativa resulta ser la más económica, debido a que el circuito neumático es más sencillo que el de la primera alternativa. Funcionalidad.- Al ser la primera alternativa automática sería la más funcional, pues no requiere de la acción del conductor, en cambio en la segunda alternativa este debe accionar el paso de aire a los cilindros neumáticos continuamente. Facilidad de montaje.- Al tener un menor número de dispositivos neumáticos existe una mayor facilidad para ubicar dichos elementos en la bicicleta, por esta razón la segunda alternativa resulta ser más sencilla para el montaje. A continuación se presenta la tabla de ponderación en orden de importancia: 4.4.1 CODIFICACIÓN A. Primera Alternativa. B. Segunda Alternativa. 4.4.2 FACTORES DE SELECCIÓN I. Seguridad. II. Costo. III. Funcionalidad IV. Facilidad de montaje. Los factores para la selección de la alternativa neumática están enumerados en orden de importancia en forma descendente. 55 Para la ponderación se utilizará una escala de 1 – 100, es decir, la mejor alternativa en un determinado factor tendrá una puntuación de 100 puntos. Alternativas Factores A B Seguridad 50 100 Costo 70 100 Funcionalidad 100 50 Facilidad de Montaje 60 100 280 350 Sumatoria de Ponderación Tabla 4.6. Selección de la alternativa Neumática Conclusión Debido a que la segunda alternativa obtuvo un mayor puntaje, es la alternativa neumática seleccionada. 4.4.2.1 Ponderación de los Factores de Selección Factores Ponderación Seguridad 35 Costo 30 Funcionalidad 20 Facilidad de Construcción 15 Sumatoria de Ponderación 100 Tabla 4.7. Factores y Ponderaciones 56 4.4.2.2 Matriz de Selección de la Alternativa Neumática Factor I II III IV Ponderación A 50 70 100 60 35% I B 100 100 50 100 30% II ∑ 150 170 150 160 20% III 15% IV Alternativa Tabla 4.8. Ponderación Factor I II III IV Ponderación A 0,33 0,41 0,67 0,38 0,35 I B 0,67 0,59 0,33 0,63 0,3 II ∑ 1 1 1 1 0,2 III 0,15 IV Alternativa Tabla 4.9. Matriz de Selección Solución: A 0,43 B 0,57 Tabla 4.10. Solución de la Matriz Conclusión: Con la matriz se confirma que la segunda alternativa es la más conveniente. 57 4.5 DISEÑO DE LA ALTERNATIVA MECÁNICA 4.5.1 NOMENCLATURA P = Peso del acumulador. W = Peso de la válvula reguladora de presión. H = La mitad del peso de una persona promedio. RD = Reacción de la abrazadera trasera sobre el acumulador. RT = Reacción de la abrazadera delantera sobre el acumulador. L = Longitud total del tanque. a = Longitud desde RT hasta RD. b = Longitud desde P hasta RD. c = Longitud desde RD hasta W. u = distancia entre RT y H. x = Longitud de RD hasta O. y = Distancia de O a RHx. z = Longitud del soporte horizontal. Esfuerzo de corte. Ac = Área de tornillo. F.S. = Factor de seguridad. Syc = Resistencia de fluencia crítica del perno. Syt = Resistencia de fluencia del perno. Sy = resistencia de fluencia del material. Esfuerzo a la tracción. Esfuerzo de empuje. d = Diámetro del perno. AN = Área neta del perfil. Aperf = Área del perfil Aaguj = Área del agujero. AE = Área de empuje. 58 n = número de pernos. t = espesor del perfil. 4.5.2 TANQUE – ABRAZADERAS 4.5.2.1 Diagrama de cuerpo libre Tanque – Abrazadera P W c H u b a R R D Gráfico 4.19. D.C.L tanque – abrazadera Datos: W = 2.2 lbs. P = 11 lbs. H = 90 lbs. a = 11,62 in. b = 5.81 in. c = 7,58 in. u = 3,84 in. Σ 0 0 2,2 11 90 103,2 103,2 22,81 126,01 . Σ ! 0 " " # " $ " % 0 " "$"% # T 59 11 " 5,81 2,2 " 7,58 90 " 3,84 )* 11,62 )* 22,81 . La Fuerza RD se encuentra al sentido contrario. R D P W H R Gráfico 4.20. D.C.L tanque – abrazadera (Corregido) 4.5.2.2 Abrazadera Delantera 4.5.2.2.1 Diagrama de cuerpo libre de la Abrazadera Delantera RT RT Gráfico 4.21. D.C.L. abrazadera delantera a) Calculo del Perno - ./012 +, ./012 345 . 3. 345 0.6 " 34 T 60 1 El perno es un SAE grado 8, con un Sy = 180 kpsi. 345 0.6 " 180 345 108 67) Se utilizará un factor de seguridad de 2.0. ./012 108 2.0 ./012 54 67) - +, ./012 +5 8 126,01 0,00233 )*9 54000 :)*9 ; " <9 +5 4 <= 4 " 0.00233 ; < 0.0545 )* 3> ?@A# # A><)<# >?#*<#B Aá $>B$#*# b) Cálculo de la abrazadera delantera 1 )* 4 - ./012 +D ./012 34 . 3. El material a ser utilizado es un acero de bajo porcentaje de carbono, con una resistencia a la fluencia de 36 kpsi. Para este cálculo se utilizará un factor de seguridad de 2.0. 1 Nota: El valor de la resistencia de fluencia para el cálculo de los pernos, se lo obtuvo del Manual de Diseño Mecánico de Shigley, (Pag16). 61 34 . 3. 36 18 67) 2 ./012 ./012 - +D ./012 +D 8 126,01 0,007)*9 18000 :)*9 +D +EFG +1HIJ +EFKG +D +1HIJ +1HIJ * " <1HIJFKL " ? <1HIJFKL 1 1 3 )* 4 8 8 Se asume un espesor de perfil de 3/16 in. Y se utilizará un solo perno para asegurar la abrazadera. 3 3 9 +1HIJ 1 " " )*9 8 16 128 9 +EFKG 0.007 128 +EFKG 0.077 )*9 El perfil seleccionado es un platina de M:N " O:MP QR. +EFKG 0.094 )*9 (Área del perfil) 2 c) Comprobación del perfil seleccionado (efecto de empuje) - . / + 34 36 18 67) . 3. 2.0 8 . / . / +S + 8 2 126,01 0.007 )*9 18000 :)*9 Nota: Ver en el Manual de la AISC (1997), pag 1-102 62 + * " <1HIJ " ? +9 1 " 3 3 " 0.035 )*9 16 16 Como AE2 > AE1 el perfil seleccionado es la platina de 1:4 " 3:16 )*. 4.5.2.3 Abrazadera Trasera 4.5.2.3.1 Diagrama de cuerpo libre de la Abrazadera RHx RHy RD y O x Gráfico 4.22. D.C.L abrazadera trasera Datos x = 4,74 in. y = 2,68 in. Σ4 0 T4 0 T4 22,81 ΣUVU 0 " W TX " 0 TX 40,34 63 A. Tramo RH – O RHx RHy O NO MO VO Gráfico 4.23. D.C.L. Tramo RH – O ΣY 0 T4 ZU 0 ZU 22,81 . ΣD 0 TX [U 0 [U 40,34 ΣU 0 TX " L 0 U 108,12 )* La abrazadera será sujetada en el perno de la llanta posterior. 3 <\FK]L )* 8 a) Cálculo de la abrazadera Trasera (Tramo RH – O) T4 - ./012 +D ./012 34 . 3. El material a ser utilizado es un acero de bajo porcentaje de carbono, con una resistencia a la fluencia de 36 kpsi. 64 Para este cálculo se utilizará un factor de seguridad de 2.0. 36 18 67) 2 22,81 +D 8 0.001267 )*9 18000 :)*9 ./012 +D +EFG +1HIJ +EFKG +D +1HIJ +1HIJ * " <1HIJFKL " ? <1HIJFKL 3 1 1 8 8 2 Se asume un espesor de perfil de 3/16 in. Y se utilizará un solo perno para asegurar la abrazadera. 1 3 3 +1HIJ 1 " " )*9 2 16 32 3 +EFKG 0.001267 32 +EFKG 0.095 )*9 El perfil se trata de una platina de 3:4 " 3:16 )*. +EFKG 0,141 )*9 3 b) Comprobación del perfil seleccionado (efecto de empuje) T4 - . / + 34 36 18 67) . 3. 2.0 22,81 8 0.00127 )*9 18000 :)*9 . / +S +9 * " <1HIJ " ? 1 3 3 +9 1 " " )*9 2 16 32 +9 0.0937 )* 3 Nota: Ver en el Manual de la AISC (1997), pag 1-102 65 Como AE2 > AE1 la selección de la platina es la adecuada B. Tramo O – RD RD MO O NO VO Gráfico 4.24. D.C.L. tramo O – RD Σ^ 0 ZU 0 ZU 22,81 ΣUVU 0 " W L 0 U 108,12 )*. a) Calculo del Perno 2K155_ó] - ./012 +, 345 0.6 " 34 El perno es un SAE grado 8, con un Sy = 180 kpsi. 345 0.6 " 180 345 108 67) Se utilizará un factor de seguridad de 2.0. ./012 108 2.0 ./012 54 67) Se asumirá que RD es la fuerza de tracción, aunque en realidad se conoce que esta es mucho menor. 66 +5 8 22,81 0,000422 )*9 54000 :)*9 <a b"cd e < 0.023 )* Se utilizará perno de 1:4 )*, denominación SAE grado 8. b) Cálculo de la abrazadera (Tramo O – RD) 2K155_ó] - ./012 +D ./012 34 . 3. El material a ser utilizado es un acero de bajo porcentaje de carbono, con una resistencia a la fluencia de 36 kpsi. Para este cálculo se utilizará un factor de seguridad de 2.0. 36 18 67) 2 22,81 +D 8 0,000422 )*9 18000 :)*9 ./012 +D +EFG +1HIJ +EFKG +D +1HIJ +1HIJ * " <1HIJFKL " ? <1HIJFKL 1 1 3 )* 4 8 8 Se asume un espesor de perfil de 3/16 in. Y se utilizará un solo perno para asegurar la abrazadera. 3 3 9 +1HIJ 1 " " )*9 8 16 128 9 +EFKG 0,000422 128 +EFKG 0,0707 )*9 La platina es de 1:2 " 3:16 )*. 67 +EFKG 0,094 )*9 4 c) Comprobación del perfil seleccionado (efecto de empuje) + 8 - . / + 22,81 0,000422 )*9 18000 :)*9 + * " <1HIJ " ? 3 3 9 + 1 " " 0.0703 )*9 8 16 128 Como AE2 > AE1 la selección de la platina es la adecuada Conclusión Debido a que el tramo RH – O tiene un agujero mayor, el perfil seleccionado es la platina de 3:4 " 3:16 )*. 4.5.3 SOPORTE VERTICAL DE LA ABRAZADERA DELANTERA 4.5.3.1 Diagrama de cuerpo de Libre Ms Vs Ns d RT Gráfico 4.25. D.C.L. Soporte vertical Datos < 8,07 )* 4 Nota: Ver en el Manual de la AISC (1997), pag 1-102 68 ΣY 0 Zf 0 Zf 126,01 ΣfVf 0 f 0 . El diámetro del perno es el mismo que para la abrazadera delantera. 1 <\FK]L )* 4 a) Cálculo del Soporte Vertical - ./012 +D El material a ser utilizado es un acero de bajo porcentaje de carbono, con una resistencia a la fluencia de 36 kpsi. Para este cálculo se utilizará un factor de seguridad de 2.0. 36 18 67) 2 126,01 +D 8 0,007 )*9 18000 :)*9 ./012 +EFKG +D +1HIJ +1HIJ * " <1HIJFKL " ? <1HIJFKL 1 1 3 )* 4 8 8 Se asume un espesor de perfil de 3/16 in. Y se utilizará un solo perno para asegurar la abrazadera. 3 3 9 +1HIJ 1 " " )*9 8 16 128 9 +EFKG 0.007 128 +EFKG 0,0773 )*9 El perfil seleccionado es la platina de 1/2 * 3/16 in. 69 +EFKG 0.094 )*9 5 Comprobación del perfil seleccionado (efecto de empuje) - . / + Sj 36 18 kpsi F. S. 2.0 126,01 8 0.007 )*9 18000 :)*9 .σh / +S +9 * " <1HIJ " ? 3 3 9 +9 1 " " 8 16 128 +9 0,0703 )*9 Como AE2 > AE1 el perfil seleccionado es la platina de 1:2 " 3:16 )*. 4.5.4 SOPORTE HORIZONTAL DE LOS ACUMULADORES V V L N N L o R R Gráfico 4.26. D.C.L. Soporte horizontal ΣY 0 Zf Zp 0 Zf Zp 2Zf (Por simetría) 2 " 126,01 252,02 5 Nota: Ver en el Manual de la AISC (1997), pag 1-102 S S 70 El diámetro del perno que sujetará al soporte horizontal está limitado por el agujero ya existente en la estructura de la bicicleta. <\FK]L 3 )* 16 a) Calculo del Perno - ./012 +, 345 0.6 " 34 El perno es un SAE grado 4, con un Sy = 100 kpsi. 345 0.6 " 100 345 60 67) Se utilizará un factor de seguridad de 2.0. 60 2.0 ./012 ./012 30 67) Se asumirá que RR es la fuerza de tracción, aunque en realidad se conoce que esta es mucho menor. +5 8 252,02 0,0084 )*9 30000 :)*9 <a b"cd e < 0,103 )* El perno de q Sr )* es suficiente para sostener al soporte horizontal, pero para mayor fijación se utilizarán dos Jotas de ¼ in de diámetro y 15 mm de longitud. b) Cálculo del Soporte Horizontal - ./012 +D ./012 34 . 3. 71 El material a ser utilizado es un acero de bajo porcentaje de carbono, con una resistencia a la fluencia de 36 kpsi. Para este cálculo se utilizará un factor de seguridad de 2.0. 36 18 67) 2 252,02 +D 8 0,014 )*9 18000 :)*9 ./012 +EFKG +D +1HIJ +1HIJ * " <1HIJFKL " ? <1HIJFKL 3 1 1 )* 8 8 2 Se asume un espesor de perfil cuadrado de 1/2 in. Y se utilizará un solo perno para asegurar la abrazadera. 1 1 1 " 4 2 8 1 0,014 8 +1HIJ +EFKG +EFKG 0,139 )*9 El perfil cuadrado sólido adecuado es de 3:8 )* , con un área de 0,1406 in2. 6 Para la construcción se utilizará un perfil cuadrado sólido de 1:2 )*, este cuenta con un área de 0,25 in2. 4.5.5 CÁLCULO DEL BRAZO DE SUJECIÓN DEL PISTÓN 4.5.5.1 Nomenclatura FP = Fuerza del pistón RU = Reacción de la tuerca sobre el brazo. MU = Momento. WP = Peso del Pistón. Re = Reacción del remache sobre el brazo. m = Distancia entre O y FP. 6 Nota: Ver en el Manual de la AISC (1997), pag 1-101 72 j = Distancia entre O y WP. f = Distancia entre O y e. g = Distancia entre O y U. 4.5.5.2 Diagrama de Cuerpo Libre FP m R Uy Ej e y o g R Ux Ej e x Gráfico 4.27. D.C.L. Brazo de Sujeción El diagrama de cuerpo libre del brazo soporte está dibujado en vista latera. Datos: FP = 100 lbs. WP = 5 lbs. m = 1,73 in. f = 13,7 in. g = 15,35 in. Solución sX 0 \ tX 0 R vw 100 lbs. ΣU 0 \ " A I4 " z 0 I4 \ " A z 73 I4 100 " 1,73 )* 15,35 )* I4 11,283 W R P Uz g Ej e o z R f R Ej e U Ux ez x Gráfico 4.28. D.C.L. Brazo de Sujeción El diagrama de cuerpo libre del brazo soporte está dibujado en vista Superior. Σ{ 0 \ t{ F{ 0 F{ \ t{ F{ 5 41,515 F{ 46,515 . ΣU 0 F{ " | t{ " z 0 }W R v " f R v " g 0 t{ t{ \ " | | z 5 " 13,7)* 13,7 15,35)* t{ 41,515 . 74 A. Tramo U – O RUz o M0 RUx Rox U Roz Rez Gráfico 4.29. D.C.L. Tramo U – O Σ{ 0 U{ F{ t{ 0 U{ F{ t{ U{ 46,515 41,515 U{ 5 RUz Roz o M0 e Rox Rex RUx Rez Gráfico 4.30. D.C.L. Tramo U – O (corregido) ΣX 0 IX UX 0 IX UX UX 100 ΣU 0 U F{ " | t{ " z 0 U 46,515 " 13,7)* 41.515 " 15,35 )* U 0 )*. U 75 a) Cálculo del Brazo de Sujeción tX - ./012 +D ./012 34 . 3. El material a ser utilizado es un acero de bajo porcentaje de carbono, con una resistencia a la fluencia de 36 kpsi. Para este cálculo se utilizará un factor de seguridad de 2.0. ./012 36 18 67) 2 tX - +D ./012 +D 8 100 8 0.0056 )*9 18000 :)*9 +D +EFG +1HIJ +EFKG +D +1HIJ +1HIJ * " <1HIJFKL " ? Se asume un espesor de perfil de 3/16 in. 3 <\FK]L )* 8 3 1 1 <1HIJFKL 8 8 2 1 3 3 +1HIJ " 2 16 32 3 +EFKG 0.0056 32 +EFKG 0,099 )*9 El perfil es una platina 3:4 " 3:16 +EFKG 0.141 )*9 7 (Área del perfil seleccionado) 7 Nota: Ver en el Manual de la AISC (1997), pag 1-102 76 b) Comprobación del perfil seleccionado (efecto de empuje) tX - . / +S . / 34 36 18 67) . 3. 2.0 +S 8 +9 +S 8 100 8 0.0056 )*9 18000 :)*9 +9 * " <1HIJ " ? 1 3 3 +9 1 " " 2 16 32 +9 0.094 )*9 Como +S 8 +9 el perfil seleccionado es el adecuado. B. Tramo O – Fp FP m Rox M0 o Roz ΣX 0 R w F 100 lbs. E - ./012 +D 34 . 3. 36 18 67) 2 ./012 ./012 Gráfico 4.31. D.C.L. Tramo O – f 77 \ - +D ./012 100 8 0.0056 )*9 18000 :)*9 Platina 1:4 " 3:16 +D 8 +EFKG 0.047 )*9 (Área del perfil seleccionado)8 Conclusión: Como el tramo U – O es el más crítico por el agujero, el perfil seleccionado es la platina 3:4 " 3:16. 8 Nota: Ver en el Manual de la AISC (1997), pag 1-102 78 4.6 ANÁLISIS DE FALLA ESTÁTICA (TEORÍA DEL MOMENTO MÁXIMO) 4.6.1 NOMENCLATURA áX Esfuerzo normal máximo. Mmáx = Momento flector máximo. Sxx = Módulo elástico de sección en el eje X – X (in3). I = Momento de inercia. C = Distancia del eje neutro a la fibra superior exterior de un perfil. t = Espesor del perfil. 4.6.2 ABRAZADERA TRASERA RHx RHy RD MO VO NO NO NO MO VO 22,81lbs. ZU 22,81 lbs. T4 22,81 lbs. [U 40,343 lbs. TX 40,343 lbs. MO = 108,12 lbs – in. Gráfico 4.32. D.C.L. Abrazadera trasera 79 4.6.2.1 Diagrama Cortante 4 0 , 3 4 3 l b s A 2 4 0 , 3 4 3 l b s 22 ,8 1 A 1 2 2, 81 lbs Gráfico 4.33. Diagrama de corte 4.6.2.2 Diagrama Momento Flector 108,12 lbs-in (-) (-) 108,12 lbs-in Gráfico 4.34. Diagrama de Momento flector áX 108,12 )* ./012 24000 : 9 )* lb s 80 áX áX - ./012 3XX Se asumirá un factor de seguridad de 1,5 3XX 8 108,12 )* 0,0045 )*q 24000 :)*9 3XX 8 d t 3XX áX ./012 Gráfico 4.35. Corte de perfil para el momento de inercia Para una sección rectangular en la base ? "2 q < " ?9 3 Si ? 3:16 in. 3 " 3XX < ?9 3XX < 3 " 169 " 0,0045 0,384 )* 39 +EFKG ? " < +EFKG 3 " 0,284 16 +EFKG 0,072 )*9 La platina seleccionada es de O: " O:MP QR, con un +EFKG 0,141 )*9 . 9 Nota: Ver en el Manual de la AISC (1997), pag 1-102 9 81 4.6.3 SOPORTE HORIZONTAL VL VS NS NL o l m RJ1 n RJ2 Gráfico 4.36. D.C.L. Soporte Horizontal junto con las jotas Datos: V 126,01 . V 126,01 . Solución: Σ4 0 V V R S R 9 0 R S R 9 126,01 lbs 4.6.3.1 Diagrama Cortante A2 A1 (-) (+) 126,01 lbs 126,01 lbs 126,01 lbs Gráfico 4.37. Diagrama de Corte 4.6.3.2 B. Diagrama del Momento flector A2 A1 (-) (-) 890.9 lbs-in Gráfico 4.38. Diagrama de Momento flector 82 áX 890,9 )* 3XX 8 áX 890,9 )* 8 0,0371 )*q ./012 24000 : 9 )* Para una sección cuadrada en la base 3XX ?< ?q 3 q ? 3 " 3XX ? 3 " 0,0379 0,484 )* +EFKG < 9 +EFKG 0,4849 +EFKG 0,234 )*9 El perfil cuadrado seleccionado es de M:N QR. Con un área de 0,2500 in2. 4.6.4 10 BRAZO DE SUJECIÓN DEL PISTÓN 4.6.4.1 Brazo de Sujeción (eje x-y) FP RUy Rox o o M0 Rox Roy Roy Eje y Eje x \ 100 . Gráfico 4.39. Brazo de Sujeción del Pistón LX 100 . 10 Nota: Ver en el Manual de la AISC (1997), pag 1-101 RUx U 83 tX 100 L4 11,283 t4 11,283 4.6.4.1.1 Diagrama Cortante 1 00 l bs A 1 ( + ) 1 1 ,2 8 3 1 0 0 1 1, 2 83 l b s A 2 l bs ( - ) Gráfico 4.40. Diagrama de Corte 4.6.4.1.2 Diagrama del Momento Flector ( +) 1 7 3 , 1 9 l b s- in ( - ) 1 7 3 ,1 9 lb s-i n Gráfico 4.41. Diagrama de Momento flector áX 173,19 )* 3XX 8 3XX 8 áX ./012 173,19 )* 0,007216 )*q 24000 :)*9 lb s 84 Si ? 3:16 in. Para una sección rectangular < < 3 " 3XX ?9 "2 q 3 " 169 " 0,007216 0,615 )* 39 +EFKG ? " < +EFKG 3 " 0,615 16 +EFKG 0,115 )*9 La platina es de 3:4 " 3:16 )*, con un área de 0,141 in2. 4.6.4.2 11 Brazo de Sujeción del Pistón (eje x-z) WP RUz Roz o M0 RUx Rox Roz Rez Eje z Eje x Gráfico 4.42. Brazo de Sujeción del Pistón (eje x-z) LX 100 . tX 100 L{ 5 11 Nota: Ver en el Manual de la AISC (1997), pag 1-102 U 85 E 5 . F{ 46,515 t{ 41,515 d = 16,25 in. 4.6.4.2.1 Diagrama Cortante 5 lbs A3 5 lbs 5 lbs (+) A1(+) 5 lbs A2 (-) 41,515 lbs Gráfico 4.43. Diagrama de Corte 4.6.4.2.2 Diagrama del Momento Flector (+) 68,5 lbs-in 8,65 lbs-in (-) 68,5 lbs-in Gráfico 4.44. Diagrama de Momento flector áX 68,5 )* 86 3XX 8 68,5 )* 0,002854 )*q 24000 :)*9 Para sección rectangular con eje de momento en la base < "2 q 3 " 3XX <9 3 " 0,002854 ? 16,259 ? +EFKG ? " < +EFKG q Sr " 0,4871 +EFKG 0,091 )*9 La platina resultante es 1:2 " 3:16 )*, con un área de 0,094 in2. 12 Conclusión El perfil que se va a utilizar para la construcción es la platina de O: " O:MP QR. 12 Nota: Ver en el Manual de la AISC (1997), pag 1-101 87 4.6.5 CÁLCULO DE LAS PLACAS PARA LAS CHARNELAS 4.6.5.1 Placa de la Charnela Macho 4.6.5.1.1 Diagrama de cuerpo libre F A F A B C F B C D F D Gráfico 4.45. D.C.L. de la Placa Base de la Charnela macho Se asume que cada agujero tracciona con una fuerza de 25 lbs. Debido a que cada anillo soporta una fuerza de 50 lbs, estos anillos se encuentran en el medio de dos perforaciones. 5 )* 16 36 18 67) 2 <cHIJ ./012 c - +D ./012 +D 8 25 8 0.00139 )*9 18000 :)*9 +EFKG +D +1HIJ +1HIJ * " <1HIJFKL " ? 88 Se asume un espesor de perfil de 3/16 in. +1HIJ 4 " 5 3 " 0,234 )*9 16 16 +EFKG 0,234 0,00139 +EFKG 0,236 )*9 El perfil es una platina 1 1:2 " 3:16 +EFKG 0,281 )*9 (Área del perfil seleccionado) 13 Como las medidas de las placas es de 2 in de ancho, la platina debe ser de 2 " 3: )*, con un área de perfil de 0,375 in2. 16 a) Comprobación del perfil seleccionado (efecto de empuje) c - . / +S +S 8 +9 +S 8 25 8 0.000139 )*9 18000 :)*9 +9 * " <1HIJ " ? +9 4 " 5 3 " 16 16 +9 0.234 )*9 Como +S 8 +9 el perfil seleccionado es el adecuado. Para la charnela hembra se va a utilizar la platina de 2 " 3:16 )*, con un área de perfil de 0,375 in2. Nota: Las charnelas tanto hembra como macho pueden ser adquiridas en el mercado, pero al no ser elementos tan complejos, se van a construir para disminuir costos. 13 Nota: Ver en el Manual de la AISC (1997), pag 1-101 89 4.6.6 CÁLCULO DEL PASADOR DE LAS CHARNELAS F Pistón R R A B Gráfico 4.46. D.C.L Pasador FQóR 100 E1¡LK 2,165 )* c ¢ 50 4.6.6.1 Diagrama Cortante 5 0 5 0 lb s A lbs 1 ( +) A 2 (- ) 5 0 lb s Gráfico 4.47. Diagrama de Corte 5 0 lbs 90 4.6.6.2 Diagrama de Momento Flector 54. 1 3 l bs - in (+) Gráfico 4.48. Diagrama de Momento flector Acero de porcentaje de carbono A36. Sy = 36000 lb pu lg 2 áX 54,13 )* 32 . 3. <E1¡1LK =£ ¥ 9 ¦ 9 Π " 34 No existe torsión en el pasador. T = 0, por los tanto: 32 . 3. <E1¡1LK =£ ¥" Π " 34 Se asume un factor de seguridad de 2 32 " 2 <E1¡1LK =§ ¨ " 54,13 Π " 36000 ©ªª©«¬ ­, OMO QR 91 4.7 4.7.1 ANÁLISIS DE FATIGA NOMENCLATURA Se = Resistencia a la fatiga del elemento. 3F® Resistencia a la fatiga de la probeta. 61 Factor de acabado Superficial. 6¯ Factor de tamaño. 65 Factor de confiabilidad. 6 Factor de temperatura. 6F Factor de concentración de esfuerzos. 6G Factores varios. °G Factor de reducción de resistencia en el caso de fatiga. <F± Diámetro equivalente. t = Espesor de perfil. b = Ancho de perfil. 4.7.2 ABRAZADERA DELANTERA 3F 61 " 6¯ " 65 " 6 " 6F " 6G " 3F® Todos los elementos mecánicos excepto los pasadores serán construidos con acero de bajo porcentaje de carbono (acero A36). 34 36000 :)*9 3I2 58000 :)*9 Cuando 3I2 - 200 67) 3F® 0,5 " 3I2 3F® 0,5 " 58000 3F® 29000 :)*9 Como los perfiles fueron laminados en caliente 61 0,7 14 14 Nota: Ver en el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 308, figura 7,10. 92 Gráfico 4.49. Corte del perfil <F± = <F± = 0,05 " ? " 0,076 0,05 " 0,5 " 0,1875 0,248 )* 0,076 Como <F± - 0,3 )* entonces 6¯ 1 Se supone que 65 1 y 6 1 6F 1 °G °G 1 ²°2 1 Gráfico 4.50. Oreja de la abrazadera delantera <1HIJ 0,375 0,75 0,5 93 Mediante el gráfico °2 ³ °2 2,08 ² 0,78 <1HIJFKL: 15 se obtiene el valor de °2 . 16 °G 1 0,782,08 1 °G 1,8424 6F 1 1,8424 6F 0,54 6G 1 S´ 0,7 " 1 " 1 " 1 " 0,54 " 1 " 29 S´ 10,962 kpsi áX 126,01 _] 6,26 áX +B># _] _] +B># 1X _] 1 2 126,01 6.26 59,87 1 2"+ + 1X _] 2 126,01 6.26 66,14 2"+ + áX 15 16 Nota: Ver en el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 884, figura A-26-1. Nota: ver el manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 322, figura 7,18. E s f ue r zo 94 σa σmin σm t ie m p o Gráfico 4.51. Esfuerzos Fluctuantes σa σm Se S ut Gráfico 4.52. Diagrama de Goodman + < " ? + 0,5 0,375 " 0,1875 + 0,0234 )* 1 2,54 67) 2,82 67) B B 1 31 3 59,86 0,91 66,14 31 3 1 3F 3I2 31 B " 3 >$%#$)ó* <> µ@@<A#* ¶$ 1 95 Sustituimos la ecuación 1 en la ecuación de Goodman B " 3 3 1 3F 3I2 3 3 3F " 3I2 B " 3I2 3F 10,962 " 58 0,91 " 58 10,962 3 9,97 67) 31 9,07 67) . 3 . 31 . 31 3 31 1 9.07 2,54 . 31 3,57 . 3 3,54 4.7.3 ABRAZADERA TRASERA 4.7.3.1 Fatiga tramo a Flexión Gráfico 4.53. Gráfico de la Abrazadera Trasera 96 3F 61 " 6¯ " 65 " 6 " 6F " 6G " 3F® 3I2 58000 :)*9 3I2 - 200 67) Cuando 3F® 0,5 " 3I2 3F® 29000 :)*9 Como los perfiles fueron laminados en caliente 61 0,7 Gráfico 4.54. Corte del perfil <F± = <F± = 0,05 " ? " 0,076 0,05 " 0,75 " 0,1875 0,304 )* 0,076 Como 0,3 )* · <F± · 10 )* entonces: V¸,¸¹º 6¯ 0,869<F± 6¯ 0,8690,304V¸,¸¹º 6¯ 0,975 Se supone que 65 1 y 6 1 17 Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 308, figura 7,10. 17 97 6F 1 °G °G 1 ²°2 1 <1HIJ 0,375 0,5 0,75 Gráfico 4.55. Oreja de la abrazadera trasera Mediante el gráfico °2 ³ °2 1,5 ² 0,78 <1HIJFKL: 18 se obtiene el valor de °2 . 19 °G 1 0,781,5 1 °G 1,39 6F 1 1,39 6F 0,719 6G 1 S´ 0,7 " 0,975 " 1 " 1 " 0,719 " 1 " 29 S´ 14,24 kpsi áX 24,63 )* _] 7,5 )* 18 19 Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 884, figura A-26-2. Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 322, figura 7,18. 98 áX áX " 1 " < " ? q 12 1 " 0,75 0,375 " 0.1875q 12 1,902 " 10Vb )*b ? 2 0,09375 )* áX 24.63 " 0,09375 1,902 " 10Vb áX 12,14 67) _] " 7,05 " 0,09375 1,902 " 10Vb _] _] _] 3,474 67) 1X _] 1 2 12,14 3,474 1 2 1 4,333 67) 1X _] 2 12,14 3,474 2 7,807 7) E sf u e r zo 99 σa σm σmin ti empo Gráfico 4.56. Esfuerzos Fluctuantes σa σm Se S ut B B 1 31 3 Gráfico 4.57. Diagrama de Goodman 4,333 0,55 7,807 3 3 3F " 3I2 B " 3I2 3F 14,24 " 58 0,55 " 58 14,24 3 17,9 67) 31 9,845 67) . 31 2,29 . 3 2,27 4.7.3.2 Fatiga tramo a Tracción 61 0,7 6¯ 1 Se supone que 65 1 y 6 1 100 6F 1 °G °G 1 ²°2 1 <1HIJ 0,375 0,5 0,75 Mediante el gráfico °2 ³ °2 2,19 ² 0,78 <1HIJFKL: 20 se obtiene el valor de °2 . 21 °G 1 0,782,19 1 °G 1,9282 6F 1 1,9282 6F 0,5186 6G 1 S´ 0,7 " 1 " 1 " 1 " 0,5186 " 1 " 29 S´ 10,527 kpsi áX 22,81 _] 6,94 + < " ? + 0,75 0,375 " 0,1875 + 0,0703 )*9 áX áX +B># áX 325,85 7) _] 20 21 _] +B># Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 884, figura A-26-1. Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 322, figura 7,18. 101 Es f u er zo _] 99,14 7) 1X _] 1 2 325,85 99,14 1 113,3 7) 2 1X _] 2 325,85 99,14 212,4 7) 2 σa σmin σm t i em p o Gráfico 4.58. Esfuerzos Fluctuantes σa σm Se S ut B B 1 31 3 113.3 0,533 212,4 31 3 1 3F 3I2 31 B " 3 Gráfico 4.59. Diagrama de Goodman >$%#$)ó* <> µ@@<A#* ¶$ 1 Sustituimos la ecuación 1 en la ecuación de Goodman B " 3 3 1 3F 3I2 102 3 3 3F " 3I2 B " 3I2 3F 10,527 " 58 0,533 " 58 10,527 3 14,733 67) 31 7,852 67) . 3.1 69 . 3. 68 Conclusión El factor de seguridad del conjunto 2,3. 4.7.4 SOPORTE VERTICAL 3F 61 " 6¯ " 65 " 6 " 6F " 6G " 3F® 3F® 29000 :)*9 Como los perfiles fueron laminados en caliente 61 0,7 Gráfico 4.60. Corte del perfil <F± = <F± = 0,05 " ? " 0,076 0,05 " 0,5 " 0,1875 0,248 )* 0,076 Como <F± - 0,3 )* entonces 6¯ 1 22 Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 308, figura 7,10. 22 103 Se supone que 65 1 y 6 1 6F 1 °G °G 1 ²°2 1 Gráfico 4.61. Oreja de la Abrazadera delantera <1HIJ 0,375 0,75 0,5 Mediante el gráfico °2 ³ °2 2,08 ² 0,78 <1HIJFKL: 23 se obtiene el valor de °2 . 24 °G 1 0,782,08 1 °G 1,8424 6F 1 1,8424 6F 0,54 6G 1 S´ 0,7 " 1 " 1 " 1 " 0,54 " 1 " 29 S´ 10,962 kpsi áX 126,01 23 24 Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 884, figura A-26-1. Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 322, figura 7,18. 104 _] 6,26 + < " ? + 0,5 0,375 " 0,1875 + 0,023 )*9 áX áX +B># áX 5,47 67) _] _] +B># Esf uer zo _] 0,272 67) 1X _] 1 2 5,47 0.272 1 2,603 67) 2 1X _] 2 5,47 0.272 2,875 67) 2 σa σmin σm tiempo Gráfico 4.62. Esfuerzos Fluctuantes Se σa σm S ut Gráfico 4.63. Diagrama de Goodman 105 B B 1 31 3 2,603 0,905 2,875 3 3 3F " 3I2 B " 3I2 3F 10,962 " 58 0,905 " 58 10,962 3 10,02 67) 31 9,06 67) . 3.1 3,48 . 3. 3,48 4.7.5 SOPORTE HORIZONTAL F F Gráfico 4.64. D.C.L. del Soporte Horizontal 3F 61 " 6¯ " 65 " 6 " 6F " 6G " 3F® 3I2 58000 :)*9 º 3F® 29000 :)*9 Como los perfiles fueron laminados en caliente 61 0,7 25 Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 308, figura 7,10. 25 106 Gráfico 4.65. Corte del perfil <F± = <F± = 0,05 " ? " 0,076 0,05 " 0,5 " 0,5 0,406 )* 0,076 Como 0,3 )* · <F± · 10 )* entonces: V¸,¸¹º 6¯ 0,869<F± 6¯ 0,8690,406V¸,¸¹º 6¯ 0,949 Se supone que 65 1 y 6 1 6F 1 °G °G 1 ²°2 1 Gráfico 4.66. Agujero del Soporte horizontal 107 <1HIJ 0,25 0,5 0,5 <1HIJ 0,25 0,5 » 0.5 Mediante el gráfico °2 ³ °2 1,8 ² 0,78 <1HIJFKL: se obtiene el valor de °2 . 27 °G 1 0,781,8 1 °G 1,624 6F 1 1,624 6F 0,616 6G 1 S´ 0,7 " 0,949 " 1 " 1 " 0,616 " 1 " 29 S´ 11,867 kpsi áX 212,01 )* _] 44,25 )* áX áX " 1 " < " ? q 12 1 " 0,5 0,25 " 0,5q 12 2,604 " 10Vq ? 2 0,25 )* áX 26 27 212,01 " 0,25 2,604 " 10Vq Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 884, figura A-26-2. Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 322, figura 7,18. 26 108 áX 20,362 67) _] " 44,25 " 0,25 2,604 " 10Vq _] _] _] 4,248 67) 1X _] 1 2 20,362 4,248 1 2 1 8,057 67) 1X _] 2 20,362 4,248 2 E s f u er zo 12,305 67) σa σmin σm t i emp o Gráfico 4.67. Esfuerzos Fluctuantes Se σa σm S ut B 1 31 3 Gráfico 4.68. Diagrama de Goodman 109 B 8,057 0,654 12,305 3 3 3F " 3I2 B " 3I2 3F 11,867 " 58 0,654 " 58 11,867 3 13,821 67) 31 9,04 67) . 3.1 1,12 . 3. 1,12 4.7.6 BRAZO DE SUJECIÓN DEL PISTÓN F Gráfico 4.69. Gráfico del brazo de sujeción del Pistón 3F 61 " 6¯ " 65 " 6 " 6F " 6G " 3F® 3F® 29000 :)*9 Como los perfiles fueron laminados en caliente 61 0,7 28 Gráfico 4.70. Corte del perfil 28 Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 308, figura 7,10. 110 <F± = <F± = 0,05 " ? " 0,076 0,05 " 0,75 " 0,1875 0,304 )* 0,076 Como 0,3 )* · <F± · 10 )* entonces: V¸,¸¹º 6¯ 0,869<F± 6¯ 0,8690,304V¸,¸¹º 6¯ 0,975 Se supone que 65 1 y 6 1 6F 1 °G °G 1 ²°2 1 Gráfico 4.71. Agujero del brazo de soporte del Pistón <1HIJ 0,375 0,5 0,75 Mediante el gráfico °2 ³ °2 2,18 ² 0,78 29 <1HIJFKL: se obtiene el valor de °2 . 30 Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 884, figura A-26-1. 29 111 °G 1 0,782,18 1 °G 1,92 6F 1 1,92 6F 0,52 6G 1 S´ 0,7 " 0,975 " 1 " 1 " 0,52 " 1 " 29 S´ 10,30 kpsi áX 100 _] 0 Cuando el cilindro trabaje a la presión máxima de 80psi. Cuando el cilindro neumático no trabaje. + < " ? + 0,07 )*9 áX áX +B># áX 1.428 67) _] _] +B># _] 0 1X _] 1 2 1 714 7) 1X _] 2 714 7) 30 Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 322, figura 7,18. Es f ue rzo 112 σa σm t i e m p o Gráfico 4.72. Esfuerzos Alternantes con Inversión Completa Se σa σm Sut B 1 31 3 714 1 714 3F " 3I2 3 B " 3I2 3F B 3 10,30 " 58 1 " 58 10,30 3 8,746 67) 31 8,746 67) . 3 12,24 Gráfico 4.73. Diagrama de Goodman 113 4.7.7 PLACAS BASE DE LAS CHARNELAS F F F F Gráfico 4.74. D.C.L. de la placa base de Charnela 3F 61 " 6¯ " 65 " 6 " 6F " 6G " 3F® 3F® 29000 :)*9 Como los perfiles fueron laminados en caliente 61 0,7 31 Gráfico 4.75. Corte del perfil El análisis se realizará dividiendo a la placa en cuatros cuadrantes, de los cuales se analizará uno, pues los otros tres son similares. <F± = 31 0,05 " ? " 0,076 Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 308, figura 7,10. 114 <F± = 0,05 " 1 " 0,1875 0,351 )* 0,076 Como 0,3 )* · <F± · 10 )* entonces: V¸,¸¹º 6¯ 0,869<F± 6¯ 0,8690,351V¸,¸¹º 6¯ 0,962 Se supone que 65 1 y 6 1 6F 1 °G °G 1 ²°2 1 Gráfico 4.76. División de la placa base de Charnela <1HIJ 0,3125 0,3125 1 Mediante el gráfico °2 ³ °2 2,35 ² 0,78 <1HIJFKL: se obtiene el valor de °2 . 33 °G 1 0,782,35 1 °G 2,053 32 33 Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 884, figura A-26-1. Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 322, figura 7,18. 32 115 6F 1 2,053 6F 0,487 6G 1 S´ 0,7 " 0,962 " 1 " 1 " 0,487 " 1 " 29 S´ 9,51 kpsi áX 25 _] 0 + < " ? + 0,1289 )*9 áX áX +B># áX 123,93 7) _] _] +B># _] 0 1X _] 1 2 1 96,97 7) 1X _] 2 96,97 Es f u e r zo σa σm ti em p o Gráfico 4.77. Esfuerzos alternantes 116 σa σm Se S ut B B 1 31 3 Gráfico 4.78. Diagrama de Goodman 96,97 1 96,97 3 3 3F " 3I2 B " 3I2 3F 9,51 " 58 1 " 58 9,51 3 8,17 67) 31 8,17 67) . 3 84,25 4.7.8 CÁLCULO DE LOS PASADORES DE LAS CHARNELAS Gráfico 4.79. D.C.L Pasador 3F 61 " 6¯ " 65 " 6 " 6F " 6G " 3F® 3F® 19,2 0,314 " 3I5 3I5 0,6 " 3I2 Para carga axial cuando 3I5 8 60 67) 3I5 34,8 67) Como no es mayor a 60kpis, tenemos que: 3F® 29000 :)*9 117 61 0,85 34 <E1¡1LK 0,269 )* Como <F± - 0,3 )* entonces: 6¯ 1 Se supone que 65 1 y 6 1 6F 1 °G °G 1 ²°2 1 BK1]IK1 0,0394 0,1 <_]2FK]L 0,349 ¼FX2FK_LK 0,472 1,35 <_]2FK]L 0,349 Mediante el gráfico °2 ³ °2 1,8 ² 0,5 Gráfico 4.80. Sección del pasador <1HIJFKL: se obtiene el valor de °2 . 36 °G 1 0,51,8 1 °G 1,4 34 35 36 Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 308, figura 7,10. Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 884, figura A-26-15 Nota: Ver el Manual de Diseño Mecánico de Shigley, pag 322, figura 7,18. 35 . 118 6F 1 1,4 6F 0,714 6G 1 S´ 0,85 " 1 " 1 " 1 " 0,714 " 1 " 29 S´ 17,6 kpsi áX 54,13 _] 0 b ; " <_]2FK]L 64 1,1 " 10Vq <_]2FK]L 2 0,197 áX áX " áX 9,694 67) _] 0 1X _] 1 2 1 4,847 67) 1X _] 2 Es f ue rz o 4,847 67) σa σm t ie mp o E s fu e rz o a lt e rn a nte Gráfico 4.81. Esfuerzos Alternantes con Inversión Completa 119 σa σm Se S ut B 1 31 3 B1 3 3 Gráfico 4.82. Diagrama de Goodman 3F " 3I2 B " 3I2 3F 17,6 " 58 1 " 58 17,6 3 13,502 67) 31 13,502 67) . 3 2,78 Elemento Abrazadera Delantera Abrazadera Trasera Soporte Vertical Soporte Horizontal Brazo de Sujeción Bases de las Charnelas Pasador de la Charnela Perfil Seleccionado Factor de Seguridad Estático Dinámico Platina 1/2 *3/16 in Platina 3/4 *3/16 in Platina 1/2 *3/16 in Cuadrado Sólido de 1/2 in Platina 3/4 *3/16 in Platina de 2 *3/16 Eje Ø 0,472 FACTOR DE SEGURIDAD DEL SISTEMA Tabla 4.11. Selección de Perfiles 2 1,5 2 1,5 1,5 2 2 3,54 2,3 3,48 1,12 12,24 84,25 2,78 1,5 1,12 120 4.8 MODELO MATEMÁTICO El siguiente modelo matemático se utilizará para la el cálculo de la potencia de la bicicleta neumática. Para la construcción del modelo matemático se iniciará desde el principio de conservación de masa hasta llegar a la ecuación de la potencia. Principios fundamentales: • Principios de Newton. • Ecuación de la continuidad. • Primer y segundo principio de la termodinámica. • Condiciones de Contorno. • Ecuación de Estado. • Viscosidad de Newton. • Principio de conservación de masa: 2 0 (Ecuación 2) Masa constante • Principio de Newton Σ 2 A³ (Ecuación 3) Masa constante. • ³ Velocidad de rotación del centro de gravedad del sistema. Proceso Irreversible.- Este proceso toma en cuenta la viscosidad, el rozamiento, la histéresis y la expansión libre, ya que el modelo matemático trata de un proceso real. • Irreversibilidad.- Se refiere a trabajo perdido y no a una pérdida real de energía. • Flujo Turbulento.- El flujo turbulento es un flujo inestable y el más común en ingeniería. • Flujo Adiabático.- En esta clase de flujo no existen pérdidas de energía, es decir, no entra ni sale calor pues se desprecia el rozamiento, por lo que puede ser considerado también como un flujo Isoentrópico. 121 Análisis de Flujo: • Flujo permanente (Velocidad en las direcciones x, y, z son constantes) ½Y ½2 ½¾ ½2 ½\ ½2 ½ ½2 • 0 (Ecuación 4) 0 0 0 (Ecuación 5) (Ecuación 6) (Ecuación 7) Flujo Uniforme (Vector velocidad idéntico) ½Y ½f 0 (Ecuación 8) Ejemplo: Cuando se bombea un líquido dentro de una tubería recta de sección uniforme. • Línea de corriente.- Es una línea continua trazada en el fluido, que en cada punto es tangente al vector velocidad. Gráfico 4.83. Líneas de Corriente en Flujo permanente • Caudal.- Cuando las líneas de corriente se encuentran más próximas estas tienen mayor velocidad. ³. ³>@$)<#< A><)# >*?B> <@ í*># <> $@BB)>*?>. ». <)?#*$)# <> >7#B#$)ó* >*?B> í*># <> $@BB)>*?> • Δ² ³» (No toma en cuenta la dimensión de profundidad) Tubo de Corriente.- esta formado por las líneas de corriente, no hay paso de fluido a través de sus paredes porque el vector velocidad no tiene componente normal al tubo. 122 ECUACION DE LA CONTINUIDAD Esta es la expresión analítica del Principio General de la conservación de la masa. V.C..- Volumen de control ÁA¡1 . ## ²%> ##*<@*# > ³@%A>* <> $@*?B@ ÁA¡1 #%<# >* A## #)>*?> <> @%A>* <> $@*?B@ Á? ÁAF] . ## ²%> >*?B# # ³@%A>* <> $@*?B@ En un instante determinado t, la masa en el volumen de control es constante ½ÃÄ ½2 Å^, Æ < Z Å^, ½2 <Z (Ecuación 9) ½ÇÈÉ Å Æ ³] < +¡1 Åc (Ecuación 10) ½2 ½2 ½ ½¾ ÇÈÉ Æ³$@Ê <+¡1 ³. ³>@$)#<#< *@BA# # # %7>B|)$)> <> $@*?B@ 7@)?)³# »#$)# > >W?>B)@B <> >>A>*?@ <> #B># ËÃÄ Ë2 ÅF] Ƴ$@Ê < +F] (Ecuación 11) Caudal neto entrante (en masa) ½ÃÄ ½2 • ½ÇÈÉ ½2 Åc Æ ³$@Ê < + Å Æ ³ <+ Conjunto de tubos de corriente S Z Åc c ³ <+ Ì +³ (Ecuación 13) Æ9 ³9 Á+9 ÆS ³S Á+S 0 (Ecuación 14) Ì +S ZS +9 Z9 (Ecuación 16) Å^5 ³ " <+ 0 (caudal saliente neto en volumen) (Ecuación 17) 2 ÆS ÌS Æ9 Ì9 %Í@ 7>BA#*>*?> > )*$@A7B>)> Si Æ es constante entonces: • (Ecuación 12) (Ecuación 15) Ecuación de Euler (Viscosidad cero, fluido sin rozamiento, sin consideraciones de cortadura) Fuerza de Gravedad Æ " z " Á+Á3 (Ecuación 18) 123 Presión " Á+ (dirección+S) (aguas arriba) Fuerza mecánica en dirección S Æ " z " Á+Á3 " cos Î Segundo principio de Newton ½\ Σ ÁA " # Á+ Ï Ð Ñ Ò3Ó Á+ Æ " zÁ+Á3 " cos Î ÆÁ+Á3 " # ½f # Aceleración a lo largo de la línea de corriente Masa de Partícula ÆÁ+Á3 Ë{ ½{ ÁÔΔ #?%B# Õ Á3 Õ cos Î Ëf ½f (Ecuación 19) (Ecuación 20) (Ecuación 21) (Ecuación 22) (Ecuación 23) (Ecuación 24) Dividiendo ecuación 23 para la 22 tenemos: S ¾ " ½\ ½f # # z " cos Î # 0 Y 2 Y 2 (Ecuación 25) (v depende de (S,t)) entonces: ½Y ½f " f 2 ½Y ½2 (Ecuación 26) Sustituyendo la ecuación 26 en 25: S ¾ ½\ ½Y ½2 S ¾ ½Y ½Y " ½f z " cos Î ³ " ½2 ½2 0 0 (Fluido permanente) ½\ ½Y " ½f z " cos Î ³ " ½2 0 \ ¾ (Ecuación 27) z<Ô ³<³ 0 (Ecuación 28) (Fluido a lo largo de la línea de corriente, sin rozamiento, flujo permanente) (Ecuación 29) Incluyendo el segundo principio de la termodinámica en la ecuación 29 tenemos: Ì \ ¾ z<Ô ³<³ ÖEéK_1¡ (Ecuación 30) El calor es despreciable, entonces se puede considerar como un sistema adiabático donde: Ì0 Por lo que la ecuación 30 quedaría expresada de la siguiente manera: \ ¾ z<Ô ³<³ ÖEéK_1¡ (Ecuación 31) 124 S ØzÔ|Ş Ø Û ÖEéK_1¡ S \ Ÿ YÚ ¾ 9 ¸ (Ecuación 32) La constante de integración es: $ \Ü ¾Ü Ý (Ecuación 33) Despejando la densidad de la ecuación 33: Ƹ L S/ß " $ (Ecuación 34) Sustituyendo la ecuación 34 en la 32 S Ÿ S \à S \ 5 Ÿ ØS \à á/Ý 5 " â S \ Ø " â 5 ,"ß á áãÏ Ó Ý á SV Ý ßVS " ÐS ,Ü "ß ßVS YÚ ¸ (Ecuación 35) S ØzÔ|Ş Ø 9 Û ÖEéK_1¡ YÚ á ãÏ Óäá Ý á V åS Ý \ S ØzÔ|Ş Ø 9 Û ÖEéK_1¡ \ á/Ý "5 S ¸ (Ecuación 36) S æç ØzÔ|Ş Ø 9 Û ÖEéK_1¡ S ¸ YÚ S ¸ æç ØzÔ|Ş Ø 9 Û ÖEéK_1¡ ¸ ßVS/ß Ýãá Ý " ¸ YÚ ¸ zÔ¸ ¸ ßVS/ß YÜ Ú 9 Ñ zÔS zÔ¸ ,á "ß ßVS Ýãá Ý " S (Ecuación 37) (Ecuación 38) Yá Ú 9 zÔS Yá Ú 9 YÜ Ú 9 ÖEéK_1¡ (Ecuación 39) ÖEéK_1¡ (Ecuación 40) De la ecuación 6 despejamos la velocidad ZS Ì + Ì 2,8 |? q: A)* <2I¯FKí1 0,0131 |? +; Ú b + 0,000135 |? 9 ZS 27354 |?: A)* ZS 91,17 )*: (Ecuación 41) 125 E I¯FKí1 155F¡LK_L¡ (Ecuación 42) 30 6# 155 6,68 A ¸ 80 ) Presión en los acumuladores ¸ 550 6# S 71,4 6# 6 1,4 Ƹ 0,00023 :)*q kg ÆS 0.849 è :mq é Sustituyendo los datos en la ecuación 33 tenemos: ¸ ¸ Ƹ ß 80 Ï:)*9 Ó S,b 0,00023S,b Ï: q Ó )* ¸ 9923640,35 \ S ¸ " Ï\á Ó (Ecuación 43) Ü S 1288268,95 Sustituimos los valores en la ecuación 40 ¹¹9qrb¸,qê"S,b S,bVS " 80 S,bVS/S,b 9 108511476 )* : 9 S9ëë9rë,¹ê"S,b S,bVS " 10,4 S.bVS/S.b ¹S,SºÚ 9 b,qê ¸,¸¸¸9q 8460,07 70007.26 A : 9 9 L2 ÆS " 5_Â_]KL " Ì (Ecuación 44) 9 kg L2 0.849 è :mq é " 70007.26m :s 9 " L2 79, 24 0,08 èm :miné q 60}s:min Es la potencia del cilindro neumático. 126 4.9 CÁLCULO DE LA ALTERNATIVA NEUMÁTICA 4.9.1 CÁLCULO DE LOS CILINDROS NEUMÁTICOS 4.9.1.1 Simbología AEC.- Área Efectiva del Cilindro F.- Fuerza del embolo RC.- Relación de compresión CA.- Consumo de Aire C.- Carrera P.- Presión 4.9.1.1.1 Formulario Neumático ;¼ )*?>B*@9 4 B>)ó* <> ¦B##Í@ <> +$?%#<@B %>BÔ# <> >A@@ +B># >|>$?)³# <> ))*<B@ +B># ¶|>$?)³# <> ))*<B@ >#$)ó* <> @A7B>)ó* B>)ó* <> ?B##Í@ B>)ó* +?A@|éB)$# B>)ó* +?A@|éB)$# @*%A@ <> #)B> +¶ W W @*%A@ 7@B A)*%?@ + W [º <> #BB>B# 7@B >z%*<@ W 60 ; W ¼ )*?>B*@ <> ?#*²%>9 W @*z)?%< <> ?#*²%> 4 <> ¦#*²%> <> ?B##Í@ #7#$)<#< ì?) <> ?#*²%> Z@%A>* <> ?#*²%> W #?A@|éB)$# Z@%A>* <> ?#*²%> ¦)>A7@ <> |%*$)@*#A)>*?@ >* A)*%?@ #7#$)<#< ì?) <> ?#*²%> @*%A@ 7@B A)*%?@ 127 4.9.1.1.2 Ejemplo de Cálculo Se realizará el cálculo con un cilindro neumático de 32mm (de diámetro). ;¼ )*?>B*@9 +¶ 4 ;1,259 )*9 +¶ 4 +¶ 1,2429 )*9 B>)ó* <> ¦B##Í@ <> +$?%#<@B " +¶ 80 :)*9 " 1,2429 )*9 99,43 B>)ó* <> ?B##Í@ B>)ó* +?A@|éB)$# B>)ó* +?A@|éB)$# 80 7) 10,4 7) 10,4 7) 8,69 Para el cálculo de la relación de compresión se utilizó la presión atmosférica de Quito que fue tomada de las cartas psicrométricas, de la Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecánica. + +¶ W W + 1,2429 )*9 " 15,748 )* " 8,69 + 170,14 )*q 128 Tabla 4.12. Para Obtención de Fuerza del Cilindro Neumático con Presión de 100 Psi Diametro (mm) 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 Area (mm2) 50,27 78,54 113,10 153,94 201,06 254,47 314,16 380,13 452,39 530,93 615,75 706,86 804,25 907,92 1017,88 1134,12 1256,64 1385,45 1520,53 D (in) 0,315 0,394 0,472 0,551 0,630 0,709 0,787 0,866 0,945 1,024 1,102 1,181 1,260 1,339 1,417 1,496 1,575 1,654 1,732 Area (in2) 0,078 0,122 0,175 0,239 0,312 0,394 0,487 0,589 0,701 0,823 0,954 1,096 1,247 1,407 1,578 1,758 1,948 2,147 2,357 Fuerza (lbf) Presion (psi) Carrera (mm) 7,791 100 400 12,174 100 400 17,530 100 400 23,860 100 400 31,165 100 400 39,443 100 400 48,695 100 400 58,921 100 400 70,121 100 400 82,294 100 400 95,442 100 400 109,564 100 400 124,659 100 400 140,728 100 400 157,771 100 400 175,789 100 400 194,780 100 400 214,744 100 400 235,683 100 400 Carrera (in) 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 15,748 NOTA: La zona gris indica la zona en la que la fuerza del cilindro es útil para el diseño Tabla 4.13. Para Obtención de Fuerza del Cilindro Neumático con Presión de 80 Psi Diametro (mm) 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 Area (mm2) 50,266 78,540 113,098 153,938 201,062 254,470 314,160 380,134 452,390 530,930 615,754 706,860 804,250 907,922 1017,878 1134,118 1256,640 1385,446 1520,534 1661,906 D (in) 0,315 0,394 0,472 0,551 0,630 0,709 0,787 0,866 0,945 1,024 1,102 1,181 1,260 1,339 1,417 1,496 1,575 1,654 1,732 1,811 Area (in2) Fuerza (lbf) Presion (psi) Carrera (mm) Carrera (in) 0,078 6,233 80 400 15,748 0,122 9,739 80 400 15,748 0,175 14,024 80 400 15,748 0,239 19,088 80 400 15,748 0,312 24,932 80 400 15,748 0,394 31,554 80 400 15,748 0,487 38,956 80 400 15,748 0,589 47,137 80 400 15,748 0,701 56,097 80 400 15,748 0,823 65,836 80 400 15,748 0,954 76,354 80 400 15,748 1,096 87,651 80 400 15,748 1,247 99,727 80 400 15,748 1,407 112,583 80 400 15,748 1,578 126,217 80 400 15,748 1,758 140,631 80 400 15,748 1,948 155,824 80 400 15,748 2,147 171,796 80 400 15,748 2,357 188,547 80 400 15,748 2,576 206,077 80 400 15,748 NOTA: La zona gris indica la zona en la que la fuerza del cilindro es útil para el diseño 129 Tabla 4.14. Para Obtención de Fuerza del Cilindro Neumático con Presión de 60 Psi Diametro (mm) Area (mm2) 10 78,540 14 153,938 18 254,470 22 380,134 26 530,930 30 706,860 34 907,922 38 1134,118 40 1256,640 42 1385,446 44 1520,534 46 1661,906 50 1963,500 54 2290,226 58 2642,086 D (in) Area (in2) Fuerza (lbf) Presion (psi) Carrera (mm) Carrera (in) 0,394 0,122 7,304 60 400 15,748 0,551 0,239 14,316 60 400 15,748 0,709 0,394 23,666 60 400 15,748 0,866 0,589 35,352 60 400 15,748 1,024 0,823 49,377 60 400 15,748 1,181 1,096 65,738 60 400 15,748 1,339 1,407 84,437 60 400 15,748 1,496 1,758 105,473 60 400 15,748 1,575 1,948 116,868 60 400 15,748 1,654 2,147 128,847 60 400 15,748 1,732 2,357 141,410 60 400 15,748 1,811 2,576 154,558 60 400 15,748 1,969 3,043 182,606 60 400 15,748 2,126 3,550 212,991 60 400 15,748 2,283 4,095 245,714 60 400 15,748 NOTA: La zona gris indica la zona en la que la fuerza del cilindro es útil para el diseño Tabla 4.15. Para Obtención de Fuerza del Cilindro Neumático con Presión de 40 Psi Diametro (mm) Area (mm2) 10 78,540 14 153,938 18 254,470 22 380,134 26 530,930 30 706,860 34 907,922 38 1134,118 42 1385,446 46 1661,906 50 1963,500 52 2123,722 54 2290,226 58 2642,086 62 3019,078 66 3421,202 D (in) Area (in2) Fuerza (lbf) Presion (psi) Carrera (mm) Carrera (in) 0,394 0,122 4,869 40 400 15,748 0,551 0,239 9,544 40 400 15,748 0,709 0,394 15,777 40 400 15,748 0,866 0,589 23,568 40 400 15,748 1,024 0,823 32,918 40 400 15,748 1,181 1,096 43,825 40 400 15,748 1,339 1,407 56,291 40 400 15,748 1,496 1,758 70,315 40 400 15,748 1,654 2,147 85,898 40 400 15,748 1,811 2,576 103,038 40 400 15,748 1,969 3,043 121,737 40 400 15,748 2,047 3,292 131,671 40 400 15,748 2,126 3,550 141,994 40 400 15,748 2,283 4,095 163,810 40 400 15,748 2,441 4,680 187,183 40 400 15,748 2,598 5,303 212,115 40 400 15,748 NOTA: La zona gris indica la zona en la que la fuerza del cilindro es útil para el diseño. 130 Tabla 4.16. Selección del Cilindro Neumático (CONSUMO DE AIRE en pies cúbicos por pulgada de carrera) D int (in) D int (mm) 0,5 0,75 1 1,25 1,375 1,5 1,75 2 2,125 2,25 2,5 2,75 3 3,50 4 4,50 5 5,50 6 12,7 19,05 25,4 31,75 34,925 38,1 44,45 50,8 53,975 57,15 63,5 69,85 76,2 88,9 101,6 114,3 127 139,7 152,4 Area (ft^2) 0,0014 0,0031 0,0055 0,0085 0,0103 0,0123 0,0167 0,0218 0,0246 0,0276 0,0341 0,0412 0,0491 0,0668 0,0873 0,1104 0,1364 0,1650 0,1964 40 0,0006 0,0012 0,0022 0,0034 0,0042 0,0050 0,0067 0,0088 0,0099 0,0112 0,0138 0,0167 0,0198 0,0270 0,0352 0,0446 0,0551 0,0666 0,0793 PRESION (psi) 60 80 0,0008 0,0010 0,0017 0,0022 0,0031 0,0040 0,0048 0,0062 0,0058 0,0075 0,0069 0,0089 0,0094 0,0121 0,0123 0,0158 0,0139 0,0178 0,0156 0,0200 0,0192 0,0247 0,0233 0,0299 0,0277 0,0356 0,0377 0,0484 0,0492 0,0632 0,0623 0,0800 0,0769 0,0988 0,0931 0,1195 0,1108 0,1422 100 0,0012 0,0027 0,0048 0,0075 0,0091 0,0109 0,0148 0,0193 0,0218 0,0244 0,0302 0,0365 0,0434 0,0591 0,0772 0,0977 0,1206 0,1460 0,1737 Tabla 4.17. Selección del Cilindro Neumático (Para una presión de trabajo de 100 psi se escoge cilindro de 30 mm de diámetro) Consumo por pulg : Consumo en volumen: Velocidad del Pistón: Presión atmosferica: Presión de trabajo: Consumo por minuto: Capacidad Util tanque: Volumen de tanque: Presión del tanque: Tiempo de Función: 0,007539 0,12 10 10,4 100 4,523 36,164 0,166 2340 7,92 ft^3/pulg ft^3 pulg/s psi psi ft^3/min ft^3 ft^3 psi minutos 131 Tabla 4.18. Selección del Cilindro Neumático (Para una presión de trabajo de 80 psi se escoge cilindro de 32 mm de diámetro) Consumo por pulg : Consumo en volumen: Velocidad del Pistón: Presión atmosferica: Presión de trabajo: Consumo por minuto: Capacidad Util tanque: Volumen de tanque: Presión del tanque: Tiempo de Función: 0,006173 0,097 10 10,4 80 3,704 36,164 0,166 2340 9,76 ft^3/pulg ft^3 pulg/s psi psi ft^3/min ft^3 ft^3 psi minutos Tabla 4.19. Selección del Cilindro Neumático (Para una presión de trabajo de 60 psi se escoge cilindro de 38 mm de diámetro) Consumo por pulg : Consumo en volumen: Velocidad del Pistón: Presión atmosferica: Presión de trabajo: Consumo por minuto: Capacidad Util tanque: Volumen de tanque: Presión del tanque: Tiempo de Función: 0,006923 0,109 10 10,4 60 4,154 36,164 0,166 2340 8,78 ft^3/pulg ft^3 pulg/s psi psi ft^3/min ft^3 ft^3 psi minutos 132 Tabla 4.20. Selección del Cilindro Neumático (Para una presión de trabajo de 40 psi se escoge cilindro de 46 mm de diámetro) Consumo por pulg : Consumo en volumen: Velocidad del Pistón: Presión atmosferica: Presión de trabajo: Consumo por minuto: Capacidad Util tanque: Volumen de tanque: Presión del tanque: Tiempo de Función: 4.9.2 0,006746 0,106 10 10,4 40 4,048 36,164 0,166 2340 9,09 ft^3/pulg ft^3 pulg/s psi psi ft^3/min ft^3 ft^3 psi minutos CÁLCULO DEL ACUMULADOR 4.9.2.1 Nomenclatura VT.- Volumen del Tanque LT.- Longitud del tanque CUT.- Capacidad Útil del Tanque P.- Presión CPM.- Consumo por minuto. TFM = Tiempo de funcionamiento en minutos. 4.9.2.1.1 Formulario Neumático ; W ¼ )*?>B*@ <> ?#*²%>9 W @*z)?%< <> ?#*²%> 4 <> ¦#*²%> <> ?B##Í@ #7#$)<#< ì?) <> ?#*²%> Z@%A>* <> ?#*²%> W #?A@|éB)$# Z¦ @*%A@ 7@B A)*%?@ + W [º <> #BB>B# 7@B >z%*<@ W 60 133 ¦)>A7@ <> |%*$)@*#A)>*?@ >* A)*%?@ #7#$)<#< ì?) <> ?#*²%> @*%A@ 7@B A)*%?@ 4.9.2.1.2 Ejemplo de Cálculo ; W ¼ )*?>B*@ <> ?#*²%>9 W ¦ 4 ; " 3,94 )*9 Z¦ " 23,62 )* 4 Z¦ Z¦ 287,98 )*q Z¦ 0,166 ? ì¦ Z¦ W <> ¦#*²%> <> ?B##Í@ #?A@|éB)$# ì¦ 287,98 )*q " 2340 7) 80 7) 10,4 7) ì¦ 62580,27 )*q ì¦ 36,16 |? q + W [º <> #BB>B# 7@B >z%*<@ W 60 170,14 )*q " 0,64 " 60 6533,47 )*q /A)* ¦ ¦ ì¦ @*%A@ 7@B A)*%?@ 62580,27 )*q 6233,47 )*q A)* ¦ 9 min 58 >z 4.9.3 CÁLCULO PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL ACUMULADOR 4.9.3.1 Nomenclatura S = Tensión máxima Admisible del material. e = Sumando adicional que tiene en cuenta la corrosión. P = Presión. R = Radio del cilindro t = Espesor del material. 134 FS = Factor de seguridad 4.9.3.1.1 Formulario íA)?> 3%7>B)@B <> %>*$)# 3 " ?_] > 3 0,5 " 3 4.9.3.1.2 Ejemplo de Cálculo El acumulador será construido con acero A572 34 55000 ) P = 2500 presión de diseño e = 0,03 in Es un valor recomendado para el cálculo por Barlow La norma ISO/TC 17 recomienda utilizar para dispositivos presión de acero un valor de FS = 1,6 3 55000 7) 1.6 3 34375 7) ?_] 1,97 " 2500 0,03 )* 34375 0,5 " 2500 ?_] 0,18 )* Tabla 4.21. Capacidad Útil de Tanque Dependiendo del Diámetro D (mm) D(in) 100 150 200 250 300 3,94 5,91 7,87 9,84 11,81 Area (mm2) 7854 17671,5 31416 49087,5 70686 Area (in2) 12,17 27,39 48,69 76,09 109,56 L (mm) L(in) 600 600 600 600 600 23,62 23,62 23,62 23,62 23,62 V tanque (lt) V tanque (ft3) 4,712 0,166 10,603 0,374 18,850 0,666 29,453 1,040 42,412 1,498 Pmax P funcional Capacidad Util (ft3) 2340 80 36,16 2340 80 81,37 2340 80 144,65 2340 80 226,02 2340 80 325,47 Tabla 4.22. Espesor del Material para la Construcción de Acumulador de Acero de Diámetro de 100 mm Presion (psi) 500 1000 1500 2000 2500 Tension Max Admisible (psi) 55000 55000 55000 55000 55000 D ext (in) 3,94 3,94 3,94 3,94 3,94 R cilindro (in) 1,97 1,97 1,97 1,97 1,97 Sum corr (in) Espesor min (in) 0,03 0,06 0,03 0,09 0,03 0,12 0,03 0,15 0,03 0,18 Esp (mm) 1,495 2,238 2,992 3,758 4,536 Sum corr (in) Espesor min (in) 0,03 0,07 0,03 0,12 0,03 0,16 0,03 0,21 0,03 0,25 Esp (mm) 1,861 2,976 4,108 5,256 6,422 Tabla 4.23. Espesor del Acumulador de Diámetro de 150 mm Presion (psi) 500 1000 1500 2000 2500 Tension Max Admisible (psi) 55000 55000 55000 55000 55000 D ext (in) 5,91 5,91 5,91 5,91 5,91 R cilindro (in) 2,95 2,95 2,95 2,95 2,95 136 Tabla 4.24. Espesor del Acumulador de Diámetro de 200 mm Presion (psi) 500 1000 1500 2000 2500 Tension Max Admisible (psi) 55000 55000 55000 55000 55000 D ext (in) 7,87 7,87 7,87 7,87 7,87 R cilindro (in) 3,94 3,94 3,94 3,94 3,94 Sum corr (in) Espesor min (in) 0,03 0,09 0,03 0,15 0,03 0,21 0,03 0,27 0,03 0,33 Esp (mm) 2,227 3,714 5,223 6,755 8,309 Tabla 4.25. Espesor del Acumulador de Diámetro de 250 Presion (psi) 500 1000 1500 2000 2500 Tension Max Admisible (psi) 55000 55000 55000 55000 55000 D ext (in) 9,84 9,84 9,84 9,84 9,84 R cilindro (in) 4,92 4,92 4,92 4,92 4,92 Sum corr (in) Espesor min (in) 0,03 0,10 0,03 0,18 0,03 0,25 0,03 0,32 0,03 0,40 Esp (mm) 2,594 4,452 6,338 8,253 10,196 Tabla 4.26. Espesor del Acumulador de Diámetro de 300 Presion (psi) 500 1000 1500 2000 2500 Tension Max Admisible (psi) 55000 55000 55000 55000 55000 D ext (in) 11,81 11,81 11,81 11,81 11,81 R cilindro (in) 5,91 5,91 5,91 5,91 5,91 Sum corr (in) Espesor min (in) 0,03 0,12 0,03 0,20 0,03 0,29 0,03 0,38 0,03 0,48 Esp (mm) 2,960 5,190 7,453 9,751 12,083 NOTA: Se selecciona el tanque de menor diámetro ya que su peso es significativamente menor, además de la facilidad de encontrar este tanque en el mercado local, los cilindros de otros diámetros no se encuentran en el mercado por lo que deben ser construidos, esto encarece el producto notablemente ya que los tanques no serían construidos en serie. 4.9.4 CÁLCULO DEL PESO DE LOS ACUMULADORES 4.9.4.1 Ejemplo de Cálculo >BíA>?B@ ; " <15IIÂ1LK >BíA>?B@ ; " 100 AA >BíA>?B@ 314,16 AA Z@%A>* >BíA>?B@ " @*z)?%< " >7>@B Z@%A>* 314,16 " 3,758 " 600 Z@%A>* 708367,968 AAq >@ Z@%A>* " ¼>*)<#<15FKL 0,000708367 Aq >@ q 7850 A :6z >@ 5,58 6z Tabla 4.27. Peso del tanque Volum D (mm) Espesor(mm) L (mm) Perim(mm) (mm3) V (m3) Peso (kg) Peso (lbs) 100 3,758 600 314,16 708367,968 0,000708368 5,56 12,23 150 3,54 600 471,24 1000913,76 0,001000914 7,86 17,29 200 4,46 600 628,32 1681384,32 0,001681384 13,20 29,04 250 5,392 600 785,4 2540926,08 0,002540926 19,95 43,88 300 6,318 600 942,48 3572753,184 0,003572753 28,05 61,70 Continuación: P tanque (lb) 12,23 17,27 29,04 43,88 61,7 P aire (lb) 1,786 1,786 1,786 1,786 1,786 PT (lb) 14,02 19,06 30,83 45,67 63,49 2 PT (lb) 28,04 38,11 61,65 91,33 126,97 Nota: En la fila 2 PT se muestra el peso de los dos acumuladores que serían instalados en la bicicleta. 4.9.5 RELACIÓN DE TORQUE Y TRANSMISIÓN PARA LAS DIFERENTES COMBINACIONES DE LAS CATALINAS IMPULSADAS 4.9.5.1 Simbología Ptotal.- Peso total PH.- Peso Humano PBN.- Peso de la bicicleta neumática RR.- Resistencia a la rodadura. FN.- Fuerza necesaria. TLL.- Torque de la llanta. R.- Radio. F.- Fuerza. TCT.- Torque de la catalina trasera. TCF.- Torque de la catalina frontal. Cfron.- Catalina frontal Ctras.- Catalina trasera DR.- Distancia recorrida RT.- Relación de Transmisión D.- Diámetro CPS.- Carrera por segundo TFM.- Tiempo de funcionamiento en minutos DTR.- Distancia recorrida total. 4.9.5.2 Formulario Físico: ¦@?# í[ ?@?# W cos ° 7>*<)>*?> W $@>|. <> B@<#<%B# [ ?@?# W >* ° 7>*<)>*?> ¦ [ W ÂÂ1]21 ¦ ¦¦ IMPULSADORAS E 140 ¦ ¦ ?B# ?B# |B@* ¦|B@* ?B# W |B@* ¦ $))*<B@ W 7><# $))*<B@ ¦ ¦ 7><# ¼ <> # B%><# $@*<%$?@B# >* %*# B>³@%$)@* ¼ 7@B # B%><# $@*<%$)<# >* %*# B>³@%$)ó* ¼ |B@* ¼ |B@* W ; ¼ ?B#$@*<%$)<# ¼|B@* W ¦ W ¼?B# W ; ¼ ?B# W #*?# #<)@ <> ?B# Z>@$)<#< <> ³#?#z@ <> $))*<B@ [º 3 ¼)?#*$)# B>$@BB<# 7@B $#BB>B# ¼ %><# [º ¦@?# <> $#BB>B# [º #BB>B# 7@B >z%*<@ W 60 W ¦ [º ?@?# <> $#BB>B# 2 ¼)?#*$)# ?@?# B>$@BB)<# [º ?@?# <> B>³@%$)@*> |B@* W ¼ %><# [º ?@?# <> B>³@%$)@*> |B@* 4.9.5.2.1 Ejemplo de cálculo ¦@?# í[ ¦@?# 140 70 ¦@?# 210 ?@?# W cos ° 7>*<)>*?> W $@>|. <> B@<#<%B# 210 " cos5 " 0,015 3,14 [ ?@?# W >* ° 7>*<)>*?> [ 210 " >*5 3.14 [ 21,44 ¦ [ W ÂÂ1]21 ¦ 21,44 " 1,1 |? 141 ¦ 23,58 |? ¦ ¦¦ ¦ ?B# 23,58 |? ¦ 0,188 |? ¦ ¦ 125,42 ?B# |B@* ¦ ?B# W |B@* ¦ 125,42 " 0,156 ¦ 19,56 |? $))*<B@ $))*<B@ ¦ 7><# 19,56 |? 0,65 |? $))*<B@ 30,11 ¦ ¦ ¼ <> # B%><# $@*<%$?@B# >* %*# B>³@%$)@* ¼ 7@B # B%><# $@*<%$)<# >* %*# B>³@%$)ó* 0,9785 |? 1,1742 |? ¦ 0.833 Esta es la relación de transmisión más favorable para subir cuestas. Nota: La distancia recorrida por la rueda conductora y conducida en una revolución, fueron medidas en la bicicleta que servirá para la construcción del prototipo. ¼ |B@* ¼ |B@* W ; ¼ |B@* 0,312 " ; ¼ |B@* 0,98 |? ¼ ?B#$@*<%$)<# ¼|B@* W ¦ W ¼?B# W ; ¼ ?B#$@*<%$)<# 0,98 |? " 0,833 " 0,376 |? " ; ¼ ?B#$@*<%$)<# 0,965 |? 142 ¼ ?B# W #*?# ?B# 0,965 |? ¼ %><# " 1,1 |? 0,188 |? ¼ %><# ¼ %><# 5,64 |? [º 3 [º 3 Z>@$)<#< <> ³#?#z@ <> $))*<B@ ¼)?#*$)# B>$@BB<# 7@B > 7)?ó* >* $#<# $#BB>B# 0,833 1,3123 |?: |?: $#BB> [º 3 0,64 $#BB>⁄ Z¦ ?#*²%> ?B##Í@ ¦ #?A " ¦ 287,98)*q " ï2340 80 ð Ï:)*9 Ó 10,4 Ï:)*9 Ó " 6533,47 )*q /A)* ¦ 9 min 58 >z Con cilindro neumático de 32 mm de diámetro. [º ¦@?# <> $#BB>B# [º 3 W 60 W ¦ [º ¦@?# <> $#BB>B# 0,64 " 60 " 9.58 " 2 [º ¦@?# <> $#BB>B# 738,62 $#BB>B# [º ?@?# <> $#BB>B# 2 738,62 [º ?@?# <> B>³@%$)@*> |B@* 2 [º ?@?# <> B>³@%$)@*> |B@* 367,81 B>³ [º ?@?# <> B>³@%$)@*> |B@* ¼¦ [º ?@?# <> B>³@%$)@*> |B@* W ¼ %><# ¼¦ 367,81 B>³ " 5,64 |? ¼¦ 2074,45 B>³ | Tabla 4.28. Fuerza Necesaria del Cilindro Neumático Peso Humano (lbs) Peso Bicicleta (lbs) P total (lbs) Pendente (grados) 140 70 210 0 140 70 210 5 140 70 210 10 140 70 210 15 140 70 210 20 140 70 210 25 140 70 210 30 140 70 210 35 140 70 210 40 140 70 210 45 Zona de Aproximación Zona Seleccionada D de llanta (pies) R de llanta 2,2 D de Ctras (pies) R de Ctras 0,376 D de Cfron R de Cfron 0,312 R de Pedal (ft) 0,65 1,1 0,188 0,156 P (rad) 0,00 0,09 0,17 0,26 0,35 0,44 0,52 0,61 0,70 0,79 Coef rod Resis Rod (lb) 0,015 3,15 0,015 3,14 0,015 3,10 0,015 3,04 0,015 2,96 0,015 2,85 0,015 2,73 0,015 2,58 0,015 2,41 0,015 2,23 F nec (lbf) T llanta (lb pie) Fmax Ctras (lbf) 3,15 3,47 18,43 21,44 23,58 125,45 39,57 43,53 231,52 57,39 63,13 335,82 74,78 82,26 437,57 91,60 100,77 535,98 107,73 118,50 630,32 123,03 135,33 719,86 137,40 151,14 803,93 150,72 165,79 881,87 Tcfron F Cilindro 2,88 4,42 19,57 30,11 36,12 55,56 52,39 80,60 68,26 105,02 83,61 128,64 98,33 151,28 112,30 172,77 125,41 192,94 137,57 211,65 144 Tabla 4.29. Relaciones de Torque y de Transmisión CATALINA IMPULSORA 1 Diámetro (mm) 175 Velocidad de Giro = 1 revolución por segundo Fuerza aplicada = 1 kgf NOTA: Con fines de calculo de distancia se toma en cuenta una revolucion de la catalina impulsora Fuerza (kgf) 1 Torque (N m) 0,0875 Distancia (m) 0,54978 (1 revolución) Dist (ft) 1,8032784 1 Torque (N m) 0,057 Distancia (m) 0,3581424 Relación Torques 0,651428571 Revoluciones 1,535087719 1 Torque (N m) 0,048 Distancia (m) 0,3015936 Relación Torques 0,548571429 Revoluciones 1,822916667 1 Torque (N m) 0,04 Distancia (m) 0,251328 Relación Torques 0,457142857 Revoluciones 2,1875 1 Torque (N m) 0,032 Distancia (m) 0,2010624 Relación Torques 0,365714286 Revoluciones 2,734375 1 Torque (N m) 0,027 Distancia (m) 0,1696464 Relación Torques 0,308571429 Revoluciones 3,240740741 Catalina Impulsada 1 Diámetro (mm) 114 Fuerza (kgf) Catalina Impulsada 2 Diámetro (mm) 96 Fuerza (kgf) Catalina Impulsada 3 Diámetro (mm) 80 Fuerza (kgf) Catalina Impulsada 4 Diámetro (mm) 64 Fuerza (kgf) Catalina Impulsada 5 Diámetro (mm) 54 Fuerza (kgf) Catalina Impulsada 6 Diámetro (mm) 46 COMBINACION MAS FAVORABLE EN LO QUE HA RECORRIDO DE DISTANCIA SE REFIERE Fuerza (kgf) 1 Torque (kg m) 0,023 Distancia (m) 0,1445136 Relación Torques 0,262857143 Revoluciones 3,804347826 145 CONTINUACIÓN: CATALINA IMPULSORA 2 Diámetro (mm) 137 Velocidad de Giro = 1 revolución por segundo Fuerza aplicada = 1 kgf NOTA: Con fines de calculo de distancia se toma en cuenta una revolucion de la catalina impulsora Fuerza (kgf) 1 Torque (N m) 0,0685 Distancia (m) 0,4303992 (1 revolución) 1 Torque (N m) 0,057 Distancia (m) 0,3581424 Relación Torques 0,832116788 Revoluciones 1,201754386 1 Torque (N m) Distancia (m) 0,048 0,3015936 Relación Torques 0,700729927 Revoluciones 1,427083333 1 Torque (N m) Distancia (m) 0,04 0,251328 Relación Torques 0,583941606 Revoluciones 1,7125 1 Torque (N m) Distancia (m) 0,032 0,2010624 Relación Torques 0,467153285 Revoluciones 2,140625 1 Torque (N m) Distancia (m) 0,027 0,1696464 Relación Torques 0,394160584 Revoluciones 2,537037037 1 Torque (kg m) Distancia (m) 0,023 0,1445136 Relación Torques 0,335766423 Revoluciones 2,97826087 Catalina Impulsada 1 Diámetro (mm) 114 Fuerza (kgf) Catalina Impulsada 2 Diámetro (mm) Fuerza (kgf) 96 Catalina Impulsada 3 Diámetro (mm) Fuerza (kgf) 80 Catalina Impulsada 4 Diámetro (mm) Fuerza (kgf) 64 Catalina Impulsada 5 Diámetro (mm) Fuerza (kgf) 54 Catalina Impulsada 6 Diámetro (mm) Fuerza (kgf) 46 146 CONTINUACIÓN: CATALINA IMPULSORA 3 Diámetro (mm) 95 Velocidad de Giro = 1 revolución por segundo Fuerza aplicada = 1 kgf NOTA: Con fines de calculo de distancia se toma en cuenta una revolucion de la catalina impulsora Fuerza (kgf) 1 Torque (N m) 0,0475 Distancia (m) 0,298452 (1 revolucion) Dist (ft) 0,97892256 COMBINACION MAS FAVORABLE PARA SUBIR CUESTAS EN LO QUE A FUERZA SE REFIERE Catalina Impulsada 1 Diámetro (mm) 114 Fuerza (kgf) Distancia (m) 0,3581424 Relación Torques 1,2 Revoluciones 0,833333333 1 Torque (N m) Distancia (m) 0,048 0,3015936 Relación Torques 1,010526316 Revoluciones 0,989583333 1 Torque (N m) Distancia (m) 0,04 0,251328 Relación Torques 0,842105263 Revoluciones 1,1875 1 Torque (N m) Distancia (m) 0,032 0,2010624 Relación Torques 0,673684211 Revoluciones 1,484375 1 Torque (N m) Distancia (m) 0,027 0,1696464 Relación Torques 0,568421053 Revoluciones 1,759259259 1 Torque (kg m) Distancia (m) 0,023 0,1445136 Relación Torques 0,484210526 Revoluciones 2,065217391 1 Torque (N m) 0,057 Catalina Impulsada 2 Diámetro (mm) Fuerza (kgf) 96 Catalina Impulsada 3 Diámetro (mm) Fuerza (kgf) 80 Catalina Impulsada 4 Diámetro (mm) Fuerza (kgf) 64 Catalina Impulsada 5 Diámetro (mm) Fuerza (kgf) 54 Catalina Impulsada 6 Diámetro (mm) Fuerza (kgf) 46 147 Tabla 4.30. Distancia Recorrida (Considerando sin inercia y relación favorable a la fuerza necesaria) milímetros de Cilindro 32,00 Fuerza: 99,73 Cfron: 0,98 Ctras: 0,96 ft Rueda: 5,64 ft Nº Carreras/rev 2,00 carr/rev Vel carrera: 0,64 carr/seg Nº Carreras Tot: 744,32 carreras Nº Tot rev 372,60 rev Distancia: 2100,17 ft diámetro lb ft por revolución 1,72 m/rev 640,29 m 148 Tabla 4.31. Distancia Recorrida (Considerando sin inercia y relación favorable a la distancia recorrida) milímetros Cilindro 32,00 de diámetro Fuerza: 99,73 Cfron: 1,80 Ctras: 3,23 Rueda: 47,10 Nº Carreras/rev 2,00 carr/rev Vel carrera: 0,64 carr/seg 744,09 carreras Nº Tot rev 372,05 rev Distancia: 17521,77 Nº Carreras Tot: lb ft por revolución ft ft por 14,36 m/rev revolución ft 5342,00 m 149 CAPÍTULO V 5 ESTUDIO ECONÓMICO 5.1 PRESUPUESTO PARA LA BICICLETA A continuación se presenta el informe económico para la construcción del prototipo. RUBROS UNIDAD CANTIDAD P. UNITARIO P. TOTAL Bicicleta U 1 107 107 Elementos de Inmovilización U 1 9,135 9,135 Elementos de sujeción U 1 4,7145 4,7145 Suministro de Gases y Aire U 1 60,333 60,333 Elementos Neumáticos U 1 149,8302 149,8302 Elementos de Impulso U 1 338,1 338,1 Elem. De suministro de aire U 1 569,793 569,793 Costo de Ensamblaje U 1 55,335 55,335 Costo Total 1294,2407 Tabla 5.1. Presupuesto A continuación se muestra el desglose de cada uno de los costos indicados en la tabla 5.1. 150 5.2 ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS ENTIDAD CONTRATANTE: NOMBRE DEL PROYECTO: RUBRO: UNIDAD: FAROLMEC BICICLETA NEUMÁTICA COMPRA DE BICICLETA U RENDIMIENTO: K= 1 U/h 1 EQUIPOS DESCRIPCION CANTIDAD A TARIFA B COSTO HORA C=AxB COSTO UNITARIO D=CxK Parcial % 0 MANO DE OBRA DESCRIPCION CANTIDAD A Mecánico de Mantenimiento de Bicicletas TARIFA B COSTO HORA C=AxB 1 COSTO UNITARIO D=CxK 10 % 10 Parcial 10 MATERIALES UNIDAD DESCRIPCION Bicicleta U CANTIDA DA UNITARIO B 1 CONSUMO C=AxB 90 % 90 Parcial 90 TRANSPORTE DESCRIPCION UNIDAD CANTIDA UNIDAD COSTO DA B TOTAL COSTOS DIRECTOS INDIRECTOS IMPREVISTOS IMPUESTOS COSTO TOTAL DEL RUBRO COSTO C=AxB % 100 5% Tabla 5.2. Costos de la Compra de la Bicicleta 5 2 107 151 FAROLMEC BICICLETA NEUMÁTICA ENTIDAD CONTRATANTE: NOMBRE DEL PROYECTO: RUBRO: UNIDAD: ELEMENTOS DE INMOVILIZACION DE EJES U RENDIMIENTO: K= 1 U/h 1 EQUIPOS DESCRIPCION CANTIDAD A Herramienta menor 1 COSTO HORA C=AxB TARIFA B 0,5 COSTO UNITARIO D=CxK 0,5 % 0,5 Parcial 0,5 MANO DE OBRA DESCRIPCION CANTIDAD A TARIFA B COSTO HORA C=AxB COSTO UNITARIO D=CxK % Parcial 0 MATERIALES DESCRIPCION Anillos Elasticos r 6 Anillos Elasticos r 8 Anillos Elasticos r 10 Anillos Elasticos r 12 UNIDAD U U U U CANTIDAD A UNITARIO B 4 4 4 4 CONSUMO C=AxB 0,15 0,15 0,25 0,25 % 0,6 0,6 1 1 Parcial 3,2 TRANSPORTE DESCRIPCION Vehiculo Particular UNIDAD U CANTIDAD A UNIDAD COSTO B 1 Parcial TOTAL COSTOS DIRECTOS INDIRECTOS IMPREVISTOS IMPUESTOS COSTO TOTAL DEL RUBRO COSTO C=AxB 5 % 5 5 8,7 5% 0,435 9,135 Tabla 5.3. Costo en Elementos de Inmovilización de Ejes 152 FAROLMEC BICICLETA NEUMÁTICA ENTIDAD CONTRATANTE: NOMBRE DEL PROYECTO: RUBRO: UNIDAD: ELEMENTOS DE SUJECIÓN U RENDIMIENTO: K= 1 U/h 1 EQUIPOS DESCRIPCION CANTIDAD A TARIFA B COSTO HORA C=AxB COSTO UNITARIO D=CxK Parcial % 0 MANO DE OBRA DESCRIPCION CANTIDAD A TARIFA B COSTO HORA C=AxB COSTO UNITARIO D=CxK Parcial % 0 MATERIALES DESCRIPCION Tornillos mm 4x30 mm Tornillo mm 4x50 mm Tuerca mm 4x0,7 Abrazadera 3 1/2" Abrazadera 1 1/2" Arandela 5/32 plana Perno acero 3/8x2 Tuerca acero RG5 3/8 Perno 6x1.00x50 Tuerca acero RF5 3/8 Tuerca acero RG5 9/16 UNIDAD CANTIDAD A UNITARIO B CONSUMO C=AxB U U U U U U U U U U U 2 1 3 1 1 6 2 4 8 2 4 0,04 0,05 0,01 0,5 0,25 0,01 0,3 0,07 0,14 0,08 0,34 0,08 0,05 0,03 0,5 0,25 0,06 0,6 0,28 1,12 0,16 1,36 Parcial % 4,49 TRANSPORTE DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD A UNIDAD COSTO B Parcial TOTAL COSTOS DIRECTOS INDIRECTOS IMPREVISTOS IMPUESTOS COSTO TOTAL DEL RUBRO COSTO C=AxB 4,49 5% 0,2245 4,7145 Tabla 5.4. Costos de Elementos de Sujeción % 153 FAROLMEC BICICLETA NEUMÁTICA ENTIDAD CONTRATANTE: NOMBRE DEL PROYECTO: RUBRO: UNIDAD: SUMINISTRO DE GASES Y AIRE m2 RENDIMIENTO: K= 1 U/h 1 EQUIPOS DESCRIPCION CANTIDAD A TARIFA B COSTO HORA C=AxB COSTO UNITARIO D=CxK % DE ESTO SE ENCARGA LA ENTIDAD QUE SUMINISTRA Parcial 0 MANO DE OBRA DESCRIPCION CANTIDAD A TARIFA B COSTO HORA C=AxB COSTO UNITARIO D=CxK % DE ESTO SE ENCARGA LA ENTIDAD QUE SUMINISTRA Parcial 0 MATERIALES UNIDAD CANTIDAD A UNITARIO B CONSUMO C=AxB Oxigeno Medicinal (Obligatorio) m3 1 7,5 7,5 Aire Comprimido m3 6 6,66 39,96 DESCRIPCION Parcial % 47,46 TRANSPORTE DESCRIPCION Transporte de Gas UNIDAD CANTIDAD A UNIDAD COSTO B COSTO C=AxB U 1 10 10 Parcial TOTAL COSTOS DIRECTOS INDIRECTOS IMPREVISTOS IMPUESTOS COSTO TOTAL DEL RUBRO 10 57,46 5% 2,873 60,333 Tabla 5.5. Costos en la Adquisición de Gases y Aire % 154 ENTIDAD CONTRATANTE: NOMBRE DEL PROYECTO: RUBRO: UNIDAD: FAROLMEC BICICLETA NEUMÁTICA ELEMENTOS NEUMÁTICOS U RENDIMIENTO: K= 1 U/h 1 EQUIPOS DESCRIPCION CANTIDAD A TARIFA B COSTO HORA C=AxB COSTO UNITARIO D=CxK Parcial % 0 MANO DE OBRA DESCRIPCION CANTIDAD A TARIFA B COSTO HORA C=AxB COSTO UNITARIO D=CxK Parcial % 0 MATERIALES DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD A UNITARIO B CONSUMO C=AxB Válvula 5/2 1/4" P/R Válvula 3/2 1/8 Botón Regulador de Caudal 4mm Conector recto 4mm 1/4" Conector recto 4mm 1/8" Silenciador bronce 1/8" Tubo poliuretano 4x2,5mm Conector T 4mm Conector codo 1/8" 4mm U U U U U U m U U 1 1 1 3 4 4 6 1 2 54,9 37,55 8,5 1,33 1,3 1,32 0,44 1,9 1,55 54,9 37,55 8,5 3,99 5,2 5,28 2,64 1,9 3,1 Parcial % 123,06 TRANSPORTE DESCRIPCION Vehiculo Particular UNIDAD CANTIDAD A UNIDAD COSTO B COSTO C=AxB U 1 5 5 Parcial TOTAL COSTOS DIRECTOS INDIRECTOS IMPREVISTOS 5% IMPUESTOS 12% COSTO TOTAL DEL RUBRO 5 128,06 6,403 15,3672 149,8302 Tabla 5.6. Costos de los Elementos Neumáticos % 155 ENTIDAD CONTRATANTE: NOMBRE DEL PROYECTO: RUBRO: UNIDAD: FAROLMEC BICICLETA NEUMÁTICA ELEMENTOS DE IMPULSO U RENDIMIENTO: 0,0833 U/h K= 12,0048019 EQUIPOS DESCRIPCION CANTIDAD A TARIFA B COSTO HORA C=AxB COSTO UNITARIO D=CxK Parcial % 0 MANO DE OBRA DESCRIPCION CANTIDAD A TARIFA B COSTO HORA C=AxB COSTO UNITARIO D=CxK % % Parcial MATERIALES DESCRIPCION Cilindros Neumáticos Diámetro 32 x 400 mm de Carrera (Metalworks) UNIDAD CANTIDAD A UNITARIO B CONSUMO C=AxB U 2 156 312 Parcial 312 TRANSPORTE DESCRIPCION Vehiculo Particular UNIDAD CANTIDAD A UNIDAD COSTO B COSTO C=AxB U 1 10 10 Parcial TOTAL COSTOS DIRECTOS INDIRECTOS IMPREVISTOS IMPUESTOS COSTO TOTAL DEL RUBRO 10 322 5% 16,1 338,1 Tabla 5.7. Costos de los Cilindros Neumáticos % 156 FAROLMEC BICICLETA NEUMÁTICA ENTIDAD CONTRATANTE: NOMBRE DEL PROYECTO: RUBRO: UNIDAD: ELEMENTOS PARA SUMINISTRO DE AIRE UNIDAD RENDIMIENTO: K= 1 U/h 1 EQUIPOS DESCRIPCION Prensa Torno Herramienta menor CANTIDAD A TARIFA B COSTO HORA C=AxB COSTO UNITARIO D=CxK % Estos Costos estan incluidos en el costo de la mano de obra Parcial 0 MANO DE OBRA DESCRIPCION Tornero Mecánico general CANTIDAD A 1 1 TARIFA B 8 2 COSTO HORA C=AxB COSTO UNITARIO D=CxK 8 2 8 2 Parcial % 10 MATERIALES DESCRIPCION Conector recto 4mmx1/4" Tanque de 1 metro cubico Regulador de presión Válvulas de Ox A/P UNIDAD CANTIDAD A UNITARIO B CONSUMO C=AxB U U U U 2 2 2 2 1,33 160 60 40 2,66 320 120 80 Parcial % 522,66 TRANSPORTE DESCRIPCION Vehiculo Particular UNIDAD CANTIDAD A UNIDAD COSTO B COSTO C=AxB U 1 10 10 Parcial TOTAL COSTOS DIRECTOS INDIRECTOS IMPREVISTOS IMPUESTOS COSTO TOTAL DEL RUBRO 10 542,66 5% 27,133 569,793 Tabla 5.8. Costos de los Elementos de Suministro de Aire % 157 ENTIDAD CONTRATANTE: NOMBRE DEL PROYECTO: RUBRO: UNIDAD: FAROLMEC BICICLETA NEUMÁTICA COSTOS DE ENSAMBLAJE U RENDIMIENTO: K= 1 U/h 1 EQUIPOS DESCRIPCION Herramienta menor Soldadora 300 amps Esmeril de pedestal Taladro de Pedestal CANTIDAD A TARIFA B COSTO HORA C=AxB COSTO UNITARIO D=CxK 1 1 1 1 0,5 5 0,5 1 0,5 5 1 2 0,5 5 1 2 Parcial % 8,5 MANO DE OBRA DESCRIPCION Mecánico General CANTIDAD A TARIFA B COSTO HORA C=AxB 1 COSTO UNITARIO D=CxK % 20 Parcial 20 MATERIALES DESCRIPCION Plantina 3/8" Placa 3/8" Electrodos E 6011 Varilla lisa de 12 mm Cuadrado 5x5 Platina 1/8" Remaches 5/16x1/2" Grasa amarilla Teflon Cinta adhesiva de caucho Variila lisa 9/16 Pintura anticorrosiva Masilla automotriz Lijas UNIDAD CANTIDAD A UNITARIO B CONSUMO C=AxB U U U U U U U U U U U U U U 1 1 3 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 6 1 1 3 1 1 0,1 0,25 0,25 0,5 1 3 2 2 6 1 3 3 1 1 0,2 0,25 0,25 0,5 1 3 2 2 Parcial % 24,2 TRANSPORTE DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD A UNIDAD COSTO B Parcial TOTAL COSTOS DIRECTOS INDIRECTOS IMPREVISTOS IMPUESTOS COSTO TOTAL DEL RUBRO COSTO C=AxB 52,7 5% Tabla 5.9. Costos de Ensamblaje 2,635 55,335 % 158 5.3 ANÁLISIS ECONÓMICO PARA LA ADQUISICIÓN DE UN COMPRESOR DE ALTA PRESIÓN El siguiente análisis se realiza en el caso de que la empresa decidiera adquirir un compresor de alta presión para el llenado de los acumuladores que la bicicleta utiliza. La adquisición del compresor de alta presión se lo realizaría en el caso de comercializar la bicicleta. Tabla 5.10. Costo del Compresor El costo Inversión Inicial: 25000 USD Vida Util: 20 años Valor residual 5000 USD del compresor fue proporcionado por la empresa KOMPRESSOREN AG. Tabla 5.11. Datos Técnicos del Compresor Presion: Potencia: Máxima 350 bares Mínima: 90 bares Máxima 5,5 kW Mínima: 3,3 kW Potencia a 160 bares de Presión: 3,89 kW HAUG 159 Caudal: 5.3.1 Máxima 28 m^3/h Mínima: 12 m^3/h Caudal suministrado a 3,89 kW: 16,29 SIMBOLOGÍA C.- Capital i.- Tasa de interés anual n.- Número de años RC.- Retorno de Capital C.R.C.- Coeficiente de retorno de capital V.A.R.- Valor Actual Residual. VRE.- Valor real. VR.- Valor residual. C.V.A.- Coeficiente de valor actual D.E.A.- Depreciación Económicamente Activa 5.3.2 FORMULARIO ECONÓMICO Retorno de Capital Ø |)% . . Z¶W * Coeficiente de Retorno de capital . . . )1 )] 1 )] 1 Valor Actual ØZ+ |)% Z. +. W * Valor Actual Residual ØZ+ |)% Z. +. Z. W * Coeficiente de valor actual m^3/h 160 Ø. Z. +. |)% * 1 )V] Depreciación Económicamente Activa ¼. ¶. +. . . 5.3.2.1 ì3¼ #ñ@ Cálculo La tasa de interés que se utilizará para el cálculo será del 12%, tasa de interés con la cual los bancos trabajan. )1 )] . . . 1 )] 1 * 20 0,12 " 1 0.129¸ . . . 1 0.129¸ 1 . . . 0,134 Z¶ Z+ Ø. Z. +|)% Z. +. . ZW * Ø. Z. +|)% 1 )V] * Ø. Z. +|)% 1 0.12V9¸ * Ø. Z. +|)% 0,103 * Z. +. . 5000 " 0,103 Z. +. 518,33 ì3¼ Z¶ 25000 518,33 Z¶ 24481,67 ì3¼ Ø |)% . . Z¶W * . . 24481,67 " 0,103 . . 3277,57 ì3¼ ¼. ¶. +. . . ì3¼ #ñ@ 161 ¼. ¶. +. 3277,57 5.3.3 ì3¼ #ñ@ ANÁLISIS DE PUNTO DE EQUILIBRIO El análisis del punto de equilibrio mostrará a la empresa el número de acumuladores que tendría que llenar al día para tener rentabilidad. Tabla. 5.12. Costo de Mantenimiento del Compresor 300 USD/año 0,82 USD/día Costo de Mantenimiento: Tabla 5.13. Depreciación Económicamente Activa Dep. Econom. Activa 3277,58 USD/año 8,98 USD/día Tabla 5.14. Información técnica para el llenado de acumuladores de 1 m3 Tiempo: 0,061 horas Potencia: 3,890 kW Energía: 0,238 kW-h Precio: 0,060 USD/kW-h 162 Tabla 5.15. Punto de Equilibrio para compresor de alta Presión m^3/diarios 1 60 120 180 240 275 300 360 420 480 540 Costos de Operación: 0,014 0,858 1,716 2,574 3,432 3,933 4,290 5,148 6,006 6,864 7,722 Costos de Mantenimiento: 0,822 0,822 0,822 0,822 0,822 0,822 0,822 0,822 0,822 0,822 0,822 Depreciación 8,98 8,98 8,98 8,98 8,98 8,98 8,98 8,98 8,98 8,98 8,98 COSTOS TOTALES 9,82 10,66 11,52 12,38 13,23 13,73 14,09 14,95 15,81 16,67 17,52 INGRESOS 0,05 3 6 9 12 13,75 15 18 21 24 27 EGRESOS: RENTABILIDAD -9,77 -7,66 -5,52 -3,38 -1,23 0,02 0,91 3,05 5,19 7,33 9,48 163 Gráfico 5.1. Punto de Equilibrio PUNTO DE EQUILIBRIO PARA COMPRESOR DE ALTA PRESIÓN 30 25 DÓLARES 20 Ingresos 15 Costos Totales 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 METROS CUBICOS DE AIRE VENDIDOS POR DÍA La empresa debería llenar 275 acumuladores diariamente para no tener pérdidas 164 CAPITULO VI 6 PROTOCOLO DE PRUEBAS 6.1 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA LA BICICLETA IMPULSADA POR AIRE COMPRIMIDO Para el protocolo de pruebas se tendrá en cuenta las condiciones ambientales como la temperatura, la humedad y la presión atmosférica. 6.1.1 MATERIALES UTILIZADOS • Termómetro. • Algodón. • Agua. • Cartas Psicrométricas. • Bicicleta Impulsada por aire comprimido. • Aire comprimido a alta presión. • Pista plana. • Casco. • Cronómetro. • Flexómetro. • Sonómetro. 6.1.2 DATOS DE CONDICIONES AMBIENTALES Temperatura Bulbo Seco: Temperatura Bulbo Humedo: Presion Atmosferica: Humedad Relativa 71,6 F 51 F 10,40 50 psia % Volumen Específico: 19,65 pies^3/lbm aire seco Entalpía Específica: 41,9 Btu/lbm aire seco Contenido de agua: 0,0218 Altura: 2800 lb agua/lb aire msnm Tabla 6.1. Condición Ambiental 165 6.1.3 DATOS DEL EQUIPO Nombre: Bicicleta Tipo: Montañera Placa: Marca: Oxford Modelo: Neumática Año: 2002 Pais: U.S.A. Cilindraje: 640 cc Tonelaje: 0,25 T Carrocería: Metal Combustible: Motor: Pasajeros: Aire comprimido Energía: 1 Presión: 1250 psi Tabla 6.2. Datos Técnicos Inversión Inicial: 1300 USD Mantenimiento Anual: 50 USD/año Costos de Operación: 547,5 USD/año Vida Util: 10 años Valor Residual: 0 USD Tabla 6.3. Costos del equipo 6.1.4 DATOS DEL COMBUSTIBLE Nombre: Aire Comprimido Composición Química: Nitrógeno 79%, Oxigeno 21% Costo: 6,67 USD/m^3 81,1385 kJ/m3 1,2 kg/m3 Energía del Aire comprimido: Densidad Normal: Tabla 6.4. Composición Química y Costo 166 Incremento Anual: 8 % Precio de Aire Comprimido: 2005 5,776 m^3 2006 5,893 m^3 2007 6,014 m^3 2008 6,136 m^3 2009 6,670 m^3 Tabla 6.5. Proyección del Costos del Aire comprimido 6.1.5 DATOS OBTENIDOS EN LA PRUEBA Revoluciones por minuto: Indeterminado Velocidad de Prueba: 7 km/h Distancia Recorrida: 1,17 km Combustible Consumido: 800 l Tiempo de Prueba: 10 min Tabla 6.6. Datos de Funcionamiento CO: 0 % Vol HC: 0 ppm O2: 0 % Vol MIN: 0 % Vol CO + CO2 MAX: 0 % Vol CO + CO2 Dilución: Tabla 6.7. Contaminación de Gases Ruido: 60 dbA Tabla 6.8. Niveles de Ruido 167 6.1.6 CÁLCULOS Consumo de Aire: Distancia recorrida: Tiempo de Prueba: Costo del aire: 800 1,17 10 6,67 l km min USD/m3 Tabla 6.9. Datos 6.1.6.1 Simbología CA = Consumo de Aire CAH = Consumo de Aire por Hora. CAK = Consumo de Aire por Kilómetro DRD = Distancia Recorrida por cada dólar. EN = Energía que Entra. EAC = Energía del aire comprimido ES = Energía que sale. ò Eficiencia del Motor 6.1.6.2 Fórmulas + + ?)>A7@ <> B%># + ¼)?#*$)# >$@BB)<# ¼)?#*$)# >$@BB)<# ¼¼ @?@ <> +)B> +° ¶[ ¶+ " 0,8 ¶3 1EÂ_11 " ¼)?#*$)# B>$@BB)<# éB<)<# ¶[ ¶3 ò ¶3 " 100% ¶[ 1EÂ_511 22,3 [ Nota: Ver el valor de la energía del aire comprimido en el Anexo B 168 Tabla 6.10. Resultados Consumo de aire por hora: 4.800,000 l/h 683,761 l/km Distancia recorrida por m3: 1,463 km/m^3 Distancia recorrida por cada USD: 0,219 km/USD Energía del Aire Comprimido: 81,138 kJ/m3 Energía que entra: 32,455 kJ Energia que sale: 26,086 kJ Perdidas: 6,370 kJ Eficiencia Motor: 80,374 % Consumo de aire por kilometro: Potencia 86,20 W 6.2 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA UNA MOTOCICLETA A GASOLINA 6.2.1 MEDICIÓN DE LA CONDICIÓN AMBIENTAL Temperatura Bulbo Seco: Temperatura Bulbo Humedo: Presion Atmosferica: Humedad Relativa 71,6 F 51 F 10,40 50 psia % Volumen Específico: 19,65 pies^3/lbm aire seco Entalpía Específica: 41,9 Btu/lbm aire seco Contenido de agua: 0,0218 Altura: 2800 lb agua/lb aire msnm Tabla 6.11. Condición Ambiental 169 6.2.2 DATOS DEL EQUIPO Nombre: Tipo: Placa: Marca: Modelo: Motocicleta Paseo P028374 Honda XLR-125 Año: 2003 Pais: Colombía Cilindraje: 125 cc Tonelaje: 0,25 T Carrocería: Metal Combustible: Motor: Gasolina 4 tiempos Pasajeros: 1 Tabla 6.12. Datos Técnicos de la Moto 6.2.3 DATOS DE COMBUSTIBLE Nombre: Gasolina Extra C8H18 Composición Quimica: Costo: Energía del Combustible: 44430 kJ/kg Densidad: 0,703 kg/l 37 Tabla 6.13. Datos Técnicos de la Gasolina 37 Nota: La energía del combustible fue obtenido del Libro de Termodinámica de Cengel, Cuarta edición, 170 Incremento Anual: 8 % Precio del Combustible: 2005 1,16 gal US 2006 1,2 gal US 2007 1,3 gal US 2008 1,4 gal US 2009 1,48 gal US Tabla 6.14. Historial del Precio de la Gasolina 6.2.4 DATOS OBTENIDOS DE LA PRUEBA Revoluciones por minuto: Indeterminado Velocidad de Prueba: 15 a 25 km/h Distancia Recorrida: 14,25 km Combustible Consumido: 0,15 l Tiempo de Prueba: 52 min Tabla 6.15. Información de Funcionamiento CO: 1 % Vol HC: 100 ppm O2: 3.0 % Vol MIN: 13 % Vol CO + CO2 MAX: 16,5 % Vol CO + CO2 Dilución: Tabla 6.16. Emanación de Gases Tóxicos Ruido: 85 dbA Tabla 6.17. Emisión de Ruido Las pruebas fueron realizadas bajo las siguientes condiciones: • Prueba estática en ralentí y a 2500 rpm. • Medición de contaminantes: CO y HC (analizador de gases). • NTE INEN 2203:99 Método. 171 • 6.2.5 NTE INEN 2204:99 Límites. CÁLCULOS Consumo de Combustible: Distancia recorrida: Tiempo de Prueba: Costo de Combustible: Peso de Combustible: 0,19 14,25 52 1,48 0,13357 l km min USD / gal kg Tabla 6.18. Datos Obtenidos en la prueba 6.2.5.1 Simbología CC = Consumo de combustible CCH = Consumo de combustible por Hora. CCK = Consumo de combustible por Kilómetro DRD = Distancia Recorrida por cada dólar. EN = Energía que entra al sistema. EC = Energía del combustible. ES = Energía que sale del sistema. ò Eficiencia del Motor 6.2.5.1.1 Fórmulas ?)>A7@ <> B%># ¼)?#*$)# >$@BB)<# ¼)?#*$)# >$@BB)<# ¼¼ @?@ <> $@A%?)> ° ¶[ ¶ " 0,133 ¶3 1EÂ_11 " ¼)?#*$)# B>$@BB)<# éB<)<# ¶[ ¶3 ò ¶3 " 100% ¶[ 1EÂ_511 120,39 [ . 172 Tabla 6.19. Resultados Consumo de aire por hora: 4.800,000 l/h 683,761 l/km Distancia recorrida por m3: 1,463 km/m^3 Distancia recorrida por cada USD: 0,219 km/USD Energía del Aire Comprimido: 81,138 kJ/m3 Energía que entra: 64,911 kJ Energia que sale: 52,171 kJ Perdidas: 12,739 kJ Eficiencia Motor: 80,374 % Consumo de aire por kilometro: 6.3 COMPARACIÓN ECONÓMICA ENTRE LA MOTOCICLETA Y LA BICICLETA NEUMÁTICA 6.3.1 MOTOCICLETA DE 125 CC (4 TIEMPOS) Inversión Inicial: 4000 USD Costos de Mantenimiento: 100 USD/año 25% Incremento Anual Tabla 6.20. Costo de una motocicleta de 125 cc. Aceite: Gasolina: 15 0,005 USD / 2000 km. USD / km. 10% Incremento Anual 8% Incremento Anual Tabla 6.21. Costos Operacionales Matricula: Revisión: SOAT: 60 20 25 USD/año USD/año USD/año 5% Incremento Anual 10% Incremento Anual 10% Incremento Anual Tabla 6.22. Costos para la legalización 173 10 años Tabla 6.23. Vida Útil 6.3.2 BICICLETA NEUMÁTICA Inversión Inicial: 1300 USD Costos de Mantenimiento: 50 USD/año 25% Incremento Anual Tabla 6.24. Costos de la bicicleta neumática Aire 0.05 USD/m 3 Incremento anual 8% Tabla 6.25. Costos Operacionales Matricula: Revisión: SOAT: 0 0 0 USD/año USD/año USD/año Tabla 6.26. Costos de Legalización para la Bicicleta Neumática 10 años Tabla 6.27. Vida Útil 174 6.4 PROYECCIÓN DE LOS COSTOS 6.4.1 MOTOCICLETA AÑO Inversion Inicial Costos Mantenimiento 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 100,00 125,00 156,25 195,31 244,14 305,18 381,47 476,84 596,05 745,06 54,75 82,13 59,13 90,34 63,86 99,37 68,97 109,31 74,49 120,24 80,45 132,26 86,88 145,49 93,83 160,04 101,34 176,04 109,45 193,65 60,00 20,00 25,00 63,00 22,00 27,50 66,15 24,20 30,25 69,46 26,62 33,28 72,93 29,28 36,60 76,58 32,21 40,26 80,41 35,43 44,29 84,43 38,97 48,72 88,65 42,87 53,59 93,08 47,16 58,95 341,88 386,97 440,08 502,94 577,68 666,93 773,97 902,83 1058,54 1247,34 4000,00 Costos de Operación: Gasolina Aceite Costos Legales: Matrícula Revisión SOAT Costos Totales VAN (para cada año) 0,00 4000,00 4341,88 4728,84 5168,92 5671,87 6249,55 6916,48 7690,45 8593,27 9651,81 10899,15 Tabla 6.28 Cálculo de VAN Anual de la Motocicleta de 125 cc 175 6.4.2 BICICLETA NEUMÁTICA AÑO Inversion Inicial Costos Mantenimiento 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 50,00 62,50 78,13 97,66 122,07 152,59 190,73 238,42 298,02 372,53 547,50 591,30 638,60 689,69 744,87 804,46 868,81 938,32 1013,38 1094,46 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 597,50 653,80 716,73 787,35 866,94 1300,00 Costos de Operación: Aire Costos Legales: Matrícula Revisión SOAT Costos Totales VAN (para cada año) 0,00 1300,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 957,05 1059,55 1176,74 1311,41 1466,98 1897,50 2551,30 3268,03 4055,38 4922,32 5879,36 6938,91 8115,65 9427,05 10894,04 Tabla 6.29 Cálculo de VAN Anual de la Bicicleta Neumática 176 Tabla 6.30. Cálculo del VAN en Valor Actual (Motocicleta) Tasa de Interes Valor Actual Neto 0 Valor Actual Neto 1 Valor Actual Neto 2 Valor Actual Neto 3 Valor Actual Neto 4 Valor Actual Neto 5 Valor Actual Neto 6 Valor Actual Neto 7 Valor Actual Neto 8 Valor Actual Neto 9 Valor Actual Neto 10 VAN 12 4000,00 3876,67 3769,80 3679,14 3604,57 3546,16 3504,11 3478,77 3470,68 3480,54 3509,23 % 39931,68 USD Tabla 6.31. Cálculo del VAN en Valor Actual (Bicicleta Neumática) Tasa de Interes Valor Actual Neto 0 Valor Actual Neto 1 Valor Actual Neto 2 Valor Actual Neto 3 Valor Actual Neto 4 Valor Actual Neto 5 Valor Actual Neto 6 Valor Actual Neto 7 Valor Actual Neto 8 Valor Actual Neto 9 Valor Actual Neto 10 VAN 12 1300,00 1694,20 2033,88 2326,12 2577,27 2793,05 2978,67 3138,81 3277,77 3399,49 3507,59 29038,85 % USD 177 Gráfico 6.1 Comparación Económica entre la Motocicleta y la Bicicleta Neumática GRAFICO DE COSTOS ANUALES DE LAS ALTERNATIVAS 12000 10000 DOÓLARES 8000 6000 4000 2000 0 0 2 4 6 8 10 12 AÑOS VAN MOTOCICLETA VAN BICICLETA Conclusión Se puede notar que la bicicleta neumática y el motocicleta de 125 cc de cuatro tiempos a gasolina, al cabo de 10 años presentan el mismo gasto. 178 CAPITULO 7 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1 CONCLUSIONES 1. El aire comprimido puede ser utilizado como fuente de energía en un medio de transporte. 2. El precio de la gasolina es bajo dado a los subsidios del gobierno, mientras que el precio del aire comprimido es alto, dado a que las empresas que lo distribuyen incluyen en el mismo un alto porcentaje de ganancia. 3. Para la adquisición de una motocicleta de gasolina de 125 centímetros cúbicos se necesita de una inversión inicial del triple o cuádruple de la inversión necesaria en una bicicleta neumática. 4. Los costos de operación de una motocicleta son más bajos que en el caso de una bicicleta neumática, sin embargo la motocicleta tiene gastos adicionales como: matricula, SOAT, revisión vehicular, además de un costo más alto en lo que a mantenimiento anual se refiere, en la bicicleta neumática los costos legales no existen y los costos de mantenimiento anual son bajos. 5. En la bicicleta neumática no se necesita revisión vehicular ya que la contaminación ambiental producida por su funcionamiento es reducida. 6. El aire comprimido puede ser una energía rentable siempre y cuando se logre distribuir a un máximo de 0,05 USD por metro cúbico y sujeto a un máximo incremento de 8 % anual. 7. Para obtener un mayor tiempo de funcionamiento de la bicicleta neumática se debe tratar de comprimir el aire a la máxima presión posible. 8. En el caso de necesitar más fuerza para subir cuestas pronunciadas se debe utilizar cilindros neumáticos de mayor diámetro o subir la presión de trabajo. 9. En el caso de ser necesaria mayor velocidad que la suministrada por la bicicleta prototipo se debe incrementar el número de tanques y conectarlos en paralelo para aumentar el caudal o subir la presión de trabajo. 179 10. No es necesario utilizar filtro y sistema de lubricación de aire cuando se utiliza cilindros neumáticos lubricados. 7.2 RECOMENDACIONES 1. Utilizar todos los implementos de seguridad para proceder al manejo de la bicicleta, estos incluyen casco, guantes, rodilleras. Coderas, etc. 2. Antes de proceder a manejar la bicicleta se debe revisar previamente: presión de aire en los tanques, (presión de trabajo 80 psi) se puede variar el rango de la presión en ó20 psi, teniendo en cuenta que al reducir la presión reducirá la fuerza de la bicicleta pero disminuirá el consumo de aire, al aumentar la presión también aumentará la fuerza de la bicicleta pero el consumo de aire será mayor. 3. Revisar los sistemas mecánicos como son frenos, cadena de transmisión, anillos elásticos, ejes de rotación. 4. Asegurarse que no haya ningún tipo de fuga de aire, ya que una fuga en el sistema de aire comprimido desemboca en una perdida extremadamente rápida de presión, en este caso de energía. 5. La bicicleta neumática es para un solo pasajero, dado a las especificaciones técnicas de sus componentes con los cuales fue diseñada, tanto en sus partes neumáticas como mecánicas. 6. Evitar que la humedad produzca corrosión en los componentes de la bicicleta neumática, para mantener un correcto funcionamiento. 180 BIBLIOGRAFÍA • American Institute of Steel Construction, “Manual of Steel Construction”, Octava edición. • Apuntes y Experiencia adquirida en el SEMINARIO DE NEUMÁTICA APLICADA, junio del 2008 (Expositor: Ing. Fernando Jácome). • CARNICER royo, (1980), “Aire Comprimido Neumática”, Editorial Gustavo Pili S.A., Barcelona. • CARULLA Miguel, (1993), “Circuitos Básicos de Neumática”, Editorial Alfa omega, México. • FOX Robert w. (1993), Introducción a la Mecánica de Fluidos, México, McGRAW-HILL. • HESSE Stefan, (2000), “99 Ejemplos Prácticos de Aplicaciones Neumáticas”. • INEN, “Catálogo de Dibujo Mecánico”. • JIMENEZ Luis, (1979), “Manual de Neumática”, Editorial Blume, Barcelona. • MABIE Hamilton, (1995), “Mecanismos y Dinámica de Máquinas”, Editorial Limusa, España. • MERIAM, (1981), “Dinámica”, Editorial Reveté, España. • MIRALIUVOV, “Resistencia de Materiales”, Moscú, 1981. • SHIGLEY Joseph, (1983), “Teoría de Máquinas y Mecanismos”, Editorial McGraw-Hill, México. • SHIGLEY Joseph, (1989), “Manual de Diseño Mecánico”, Editorial McGraw-Hill, México. 181 ANEXO A1 “ELAVORACIÓN DE ENCUESTAS” ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA PROYECTO DE TITULACION ENCUESTA A1.1. RECIBA UN CORDIAL SALUDO Somos egresados de la Facultad de Ingeniería Mecánica. La presente encuesta tiene como objetivo averiguar si usted estaría dispuesto (a) a modificar su bicicleta instalando en la misma un sistema de propulsión de aire comprimido, además obtener información sobre los requerimientos técnicos para el diseño del sistema de propulsión. POR FAVOR MARQUE CON UNA X SEGÚN CREA CONVENIENTE PERFIL DE LA PERSONA ENCUESTADA: Persona Encuestada:……………………………………………………………… CUESTIONARIO 1. ¿Tiene problemas al transportarse de un lugar a otro en la ciudad de Quito? SI NO 2. ¿Estaría dispuesto a trasladarse a su lugar de trabajo o estudio en una bicicleta? SI NO SI SU RESPUESTA ES NO, ESPECIFIQUE EL PORQUE DE SU RESPUESTA. ……………………………………………………………………………………………… 3. ¿Dispone usted de una bicicleta? SI NO Si su respuesta es negativa pase a la pregunta 5. 4. SI DISPONE DE UNA BICICLETA ¿Estaría dispuesto a instalar en esta un sistema de propulsión que facilite su trasporte? SI NO Si su respuesta es afirmativa pase a la pregunta 6. Caso contrario GRACIAS por su colaboración. 5. SI NO DISPONE DE UNA BICICLETA ¿Estaría dispuesto a adquirir una? SI NO Si su respuesta es negativa GRACIAS POR SU COLABORACIÓN SI SU RESPUESTA ANTERIOR ES AFIRMATIVA: Instalaría el sistema No instalaría de el sistema Propulsión de propulsión 6. Cuál es la distancia aproximada que recorre diariamente: ¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨ 7. Cuanto tiempo se demora en ir a su destino 15 minutos a 30 minutos________ 31 minutos a 1 hora_________ 1 hora o más________ 8. Su edad está entre los: 15 – 25 años 26 – 35 años Más de 36 años GRACIAS POR SU COLABORACIÓN!! A1.2. JUSTIFICACION DE LAS PREGUNTAS REALIZADAS EN LA ENCUESTA CUESTIONARIO 1) ¿Tiene problemas al transportarse de un lugar a otro en la ciudad de Quito? SI NO Objetivo: Comprobar el problema existente en el transporte público en la ciudad de Quito. 2) ¿Estaría dispuesto a trasladarse a su lugar de trabajo o estudio en una bicicleta? SI NO SI SU RESPUESTA ES NO, ESPECIFIQUE EL PORQUE DE SU RESPUESTA. ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………… Objetivo: Conocer el interés que las personas tendrían en la utilización de un nuevo medio de transporte. 3) ¿Dispone usted de una bicicleta? NO SI Si su respuesta es negativa pase a la pregunta 5. Objetivo: Saber si las personas cuentan con una bicicleta. 4) SI DISPONE DE UNA BICICLETA ¿Estaría dispuesto a instalar en esta un sistema de propulsión que facilite su trasporte? SI NO Si su respuesta es afirmativa pase a la pregunta 6. Caso contrario Gracias por su colaboración. Objetivo: Averiguar si las personas incorporarían un sistema de propulsión a su bicicleta, que les facilite el movilizarse. 5) SI NO DISPONE DE UNA BICICLETA ¿Estaría dispuesto a adquirir una? SI NO Si su respuesta es negativa GRACIAS POR SU COLABORACIÓN SI SU RESPUESTA ANTERIOR ES AFIRMATIVA: Instalaría No instalaría el sistema el sistema de de Propulsión propulsión Objetivo: Averiguar si las personas estarían dispuestas a adquirir una bicicleta que tenga un sistema de propulsión. 6) Cuál es la distancia aproximada que recorre diariamente: ¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨ Objetivo: Saber la distancia que se trasladan diariamente las personas. 7) Cuanto tiempo se demora en ir a su destino 15 minutos a 30 minutos________31 minutos a 1 hora___________ 1 hora o más________ Objetivo: Conocer el tiempo que las personas encuestadas se tardan en llegar a su destino. 8) Su edad está entre los: 15 – 25 años 26 – 35 años Más de 36 años Objetivo: Investigar el segmento de mercado en el que tendría mayor acogida el producto. ANEXO A2 “Presentación de resultados de la Encuestas Realizadas” 1. ¿Tiene problemas al transportarse de un lugar a otro en la ciudad de Quito? SI NO Tabla A 2.1. Pregunta 1 Nombre Sí No 1 Juan Chiriboga x 2 Marcos Morales x 3 Daniel Peralta x 4 José Calderón x 5 Marco León 6 Michael Campoverde x 7 Ricardo Racines x 8 Renato Garrido x 9 Marco Morales x 10 Santiago Araujo x 11 Lucio Rojas x 12 Diana Oña x 13 Dina Ibadongo x 14 Belén Andrade x 15 Paúl Ruiz x 16 Byron Loarte x 17 Anónimo x 18 Jessica Morales 19 Salomé Idrobo 20 Adrián Yepez x 21 César Palmay x 22 Juan Villacís 23 Jorge Sarango x 24 David Ramírez x 25 Christian Montenegro x 26 Christian Calvachi x x x x x 27 Hugo Gangotena x 28 Moorilú Chuico x 29 Fausto Carrera x 30 Pamela Díaz x 31 José Cuichán x 32 Marcelo Llugsi x 33 Pablo Herrera x 34 Madelyne Carrera x 35 Carmen Ochoa x 36 Estefanía Arámbulo x 37 Dayana Clanjoy 38 Estefanía Zuleta 39 Celia Andrade x 40 Gabriel Vizuete x 41 Jairo Revelo x 42 Pablo Salamea x 43 Santiago Morales x 44 José Dávila x 45 Joaquín Sanango x 46 Luis Herrera x 47 Santiago Álvarez 48 Alejandro Santillán x 49 Jacqueline Chicaiza x 50 Kleber Quinga x 51 Cristian Quishpe x x x x Sí No 34 17 66,67% 33,33% 2. ¿Estaría dispuesto a trasladarse a su lugar de trabajo o estudio en una bicicleta? SI NO SI SU RESPUESTA ES NO, ESPECIFIQUE EL PORQUE DE SU RESPUESTA. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… Tabla A 2.2. Pregunta 2 Nombre Sí No 1 Juan Chiriboga x 2 Marcos Morales x 3 Daniel Peralta x 4 José Calderón x 5 Marco León x 6 Michael Campoverde x 7 Ricardo Racines x 8 Renato Garrido x 9 Marco Morales 10 Santiago Araujo x 11 Lucio Rojas x 12 Diana Oña x 13 Dina Ibadongo x 14 Belén Andrade 15 Paúl Ruiz 16 Byron Loarte 17 Anónimo x 18 Jessica Morales x 19 Salomé Idrobo x 20 Adrián Yepez x 21 César Palmay x 22 Juan Villacís 23 Jorge Sarango x x x x x x 24 David Ramírez x 25 Christian Montenegro x 26 Christian Calvachi x 27 Hugo Gangotena x 28 Moorilú Chuico x 29 Fausto Carrera x 30 Pamela Díaz x 31 José Cuichán x 32 Marcelo Llugsi 33 Pablo Herrera 34 Madelyne Carrera x 35 Carmen Ochoa x 36 Estefanía Arámbulo x 37 Dayana Clanjoy x 38 Estefanía Zuleta x 39 Celia Andrade x 40 Gabriel Vizuete x 41 Jairo Revelo x 42 Pablo Salamea x 43 Santiago Morales x 44 José Dávila 45 Joaquín Sanango x 46 Luis Herrera x 47 Santiago Álvarez x 48 Alejandro Santillán x 49 Jacqueline Chicaiza 50 Kleber Quinga x 51 Cristian Quishpe x x x x x Sí No 26 25 50,98% 49,02% SI SU RESPUESTA ES NO, ESPECIFIQUE EL PORQUE DE SU RESPUESTA. …………………………………………………………………………………………… Tabla A 2.3. Extensión de Pregunta 2 Nombre Razón por la que la respuesta fue Negativa 1 Juan Chiriboga Vive Lejos 2 Ricardo Racines Vive lejos 3 Renato Garrido Vive lejos 4 Santiago Araujo No le interesa 5 Lucio Rojas Vive lejos 6 Diana Oña Vive lejos 7 Dina Ibadongo Vive lejos 8 Paúl Ruiz No tiene bicicleta 9 Anónimo Vive lejos 10 Jessica Morales Vive Lejos 11 Salomé Idrobo Vive lejos 12 Adrián Yepez No le gusta manejar bicicletas Porque no existen vías especiales para que transitar 13 César Palmay con seguridad 14 Jorge Sarango Por el clima 15 David Ramírez Requiere de mucho esfuerzo Físico 16 Moorilú Chuico No puede manejar muy bien 17 Fausto Carrera Prefiere transportarse en automóvil 18 Marcelo Llugsi Vive muy lejos y por las cuestas 19 Madelyne Carrera Vive muy lejos y por las cuestas 20 Carmen Ochoa No cuenta con tiempo 21 Estefanía Arámbulo Porque es incómodo 22 Dayana Clanjoy Por hay muchas cuestas 23 Estefanía Zuleta Porque hay muchas cuestas Porque no existen vías especiales para que transitar 24 José Dávila 25 Jacqueline Chicaiza con seguridad No puede manejar bicicletas Viven lejos Hay muchas cuestas No hay Vías exclusivas otros 11 2 2 10 44,00% 8,00% 8,00% 40,00% 3. ¿Dispone usted de una bicicleta? SI NO Si su respuesta es negativa pase a la pregunta 5. Tabla A 2.4. Pregunta 3 Nombre Sí 1 Juan Chiriboga x 2 Marcos Morales 3 Daniel Peralta x 4 José Calderón x 5 Marco León 6 Michael Campoverde x 7 Ricardo Racines x 8 Renato Garrido x 9 Marco Morales x 10 Santiago Araujo x 11 Lucio Rojas x 12 Diana Oña x 13 Dina Ibadongo x 14 Belén Andrade x 15 Paúl Ruiz 16 Byron Loarte x 17 Anónimo x 18 Jessica Morales x 19 Salomé Idrobo x No x x x 20 Adrián Yepez x 21 César Palmay x 22 Juan Villacís x 23 Jorge Sarango x 24 David Ramírez x 25 Christian Montenegro x 26 Christian Calvachi x 27 Hugo Gangotena 28 Moorilú Chuico 29 Fausto Carrera 30 Pamela Díaz 31 José Cuichán x 32 Marcelo Llugsi x 33 Pablo Herrera x 34 Madelyne Carrera x 35 Carmen Ochoa x 36 Estefanía Arámbulo x 37 Dayana Clanjoy x 38 Estefanía Zuleta x 39 Celia Andrade x 40 Gabriel Vizuete x 41 Jairo Revelo x 42 Pablo Salamea 43 Santiago Morales 44 José Dávila x 45 Joaquín Sanango x 46 Luis Herrera 47 Santiago Álvarez 48 Alejandro Santillán 49 Jacqueline Chicaiza x 50 Kleber Quinga x 51 Cristian Quishpe x x x x x x x x x x Sí No 36 15 70,59% 29,41% 4. SI DISPONE DE UNA BICICLETA ¿Estaría dispuesto a instalar en esta un sistema de propulsión que facilite su trasporte? SI NO Si su respuesta es afirmativa pase a la pregunta 6. Caso contrario GRACIAS por su colaboración. Tabla A 2.5. Pregunta 4 Nombre Sí 1 Juan Chiriboga x 2 Marcos Morales 3 Daniel Peralta x 4 José Calderón x 5 Marco León 6 Michael Campoverde x 7 Ricardo Racines x 8 Renato Garrido 9 Marco Morales x 10 Santiago Araujo x 11 Lucio Rojas x 12 Diana Oña x 13 Dina Ibadongo x 14 Belén Andrade x 15 Paúl Ruiz 16 Byron Loarte 17 Anónimo No x x 18 Jessica Morales x 19 Salomé Idrobo x 20 Adrián Yepez 21 César Palmay 22 Juan Villacís x 23 Jorge Sarango x 24 David Ramírez x 25 Christian Montenegro 26 Christian Calvachi 27 Hugo Gangotena 28 Moorilú Chuico 29 Fausto Carrera 30 Pamela Díaz 31 José Cuichán 32 Marcelo Llugsi 33 Pablo Herrera x 34 Madelyne Carrera x 35 Carmen Ochoa 36 Estefanía Arámbulo 37 Dayana Clanjoy x 38 Estefanía Zuleta x 39 Celia Andrade x 40 Gabriel Vizuete 41 Jairo Revelo 42 Pablo Salamea 43 Santiago Morales 44 José Dávila x 45 Joaquín Sanango x 46 Luis Herrera 47 Santiago Álvarez 48 Alejandro Santillán 49 Jacqueline Chicaiza x x x x x x x x 50 Kleber Quinga 51 Cristian Quishpe x x Sí No 27 9 75,00% 25,00% 5. SI NO DISPONE DE UNA BICICLETA ¿Estaría dispuesto a adquirir una? SI NO Si su respuesta es negativa GRACIAS POR SU COLABORACIÓN Tabla A 2.6. Pregunta 5 Nombre Sí No 1 Marcos Morales x 2 Marco León x 3 Paúl Ruiz x 4 Adrián Yepez 5 Christian Montenegro x 6 Christian Calvachi x 7 Hugo Gangotena x 8 Moorilú Chuico 9 Pamela Díaz x 10 José Cuichán x 11 Marcelo Llugsi x 12 Carmen Ochoa x 13 Estefanía Arámbulo x 14 Gabriel Vizuete x 15 Jairo Revelo x 16 Santiago Morales x 17 Luis Herrera x 18 Alejandro Santillán x x x Sí No 14 4 77,78% 22,22% SI SU RESPUESTA ANTERIOR ES AFIRMATIVA: Instalaría No el sistema instalaría el sistema de de propulsión Propulsión Tabla A 2.7. Extensión de la pregunta 5 No instalaría el Instalaría el sistema de sistema de Nombre Propulsión Propulsión 1 Marcos Morales x 2 Marco León x 3 Paúl Ruiz 4 Christian Montenegro x 5 Christian Calvachi x 6 Hugo Gangotena x 7 Pamela Díaz x 8 José Cuichán 9 Estefanía Arámbulo x 10 Gabriel Vizuete x 11 Jairo Revelo x 12 Santiago Morales x 13 Luis Herrera x 14 Alejandro Santillán x x x Sí No 12 2 85,71% 14,29% 6. Cuál es la distancia aproximada que recorre diariamente: ¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨ Nota: De esta pregunta en adelanta se tomarán en cuenta tan solo a las personas que estarían dispuestas en incorporar un sistema de propulsión neumático en su bicicleta. Tabla A 2.8. Pregunta 6 Km Nombre diarios 1 Juan Chiriboga 30 2 Marcos Morales 10 3 Daniel Peralta 6 4 José Calderón 10 5 Marco León 12 6 Michael Campoverde 4 7 Ricardo Racines 26 8 Renato Garrido 6 9 Marco Morales 6 10 Santiago Araujo 8 11 Lucio Rojas 26 12 Diana Oña 26 13 Dina Ibadongo 26 14 Belén Andrade 18 15 Byron Loarte 20 16 Jessica Morales 26 17 Salomé Idrobo 10 18 César Palmay 20 19 Christian Montenegro 15 20 Christian Calvachi 10 21 Pamela Díaz 20 22 José Cuichán 30 23 Pablo Herrera 22 24 Madelyne Carrera 14 25 Estefanía Arámbulo 20 26 Dayana Clanjoy 20 27 Estefanía Zuleta 12 28 Celia Andrade 20 29 Gabriel Vizuete 6 30 Jairo Revelo 6 31 Pablo Salamea 6 32 Santiago Morales 6 33 José Dávila 6 34 Joaquín Sanango 12 35 Luis Herrera 12 36 Alejandro Santillán 20 37 Jacqueline Chicaiza 14 38 Cristian Quishpe 20 Hasta 10 km De 11 a 20 km Más de 20 km 14 16 8 36,84% 42,11% 21,05% 7. Cuanto tiempo se demora en ir a su destino 15 minutos a 30 minutos________ 31 minutos a 1 hora_________ 1 hora o más________ Tabla A 2.9. Pregunta 7 1 Hora o Nombre 15 a 30 minutos 31 min. a 1 hora 1 Juan Chiriboga 2 Marcos Morales x 3 Daniel Peralta x 4 José Calderón 5 Marco León más x x x Michael 6 Campoverde x 7 Ricardo Racines 8 Renato Garrido x 9 Marco Morales x 10 Santiago Araujo x 11 Lucio Rojas x 12 Diana Oña x 13 Dina Ibadongo x 14 Belén Andrade x 15 Byron Loarte 16 Jessica Morales x 17 Salomé Idrobo x 18 César Palmay x x x Christian 19 Montenegro x 20 Christian Calvachi 21 Pamela Díaz 22 José Cuichán 23 Pablo Herrera 24 Madelyne Carrera x 25 Estefanía Arámbulo x 26 Dayana Clanjoy x 27 Estefanía Zuleta x x x x x 28 Celia Andrade x 29 Gabriel Vizuete x 30 Jairo Revelo x 31 Pablo Salamea x 32 Santiago Morales x 33 José Dávila x 34 Joaquín Sanango x 35 Luis Herrera x 36 Alejandro Santillán 37 Jacqueline Chicaiza 38 Cristian Quishpe x x x 15 a 30 minutos 31 min. a 1 hora 1 Hora o más 12 14 12 31,58% 36,84% 31,58% 8. Su edad está entre los: 15 – 25 años 26 – 35 años Más de 36 años Tabla A 2.10. Pregunta 8 Nombre 15 - 25 años 1 Juan Chiriboga x 2 Marcos Morales 3 Daniel Peralta 4 José Calderón 5 Marco León x 6 Michael x 26 - 35 años Más de 36 años x x x Campoverde 7 Ricardo Racines x 8 Renato Garrido x 9 Marco Morales x 10 Santiago Araujo x 11 Lucio Rojas x 12 Diana Oña x 13 Dina Ibadongo x 14 Belén Andrade x 15 Byron Loarte x 16 Jessica Morales x 17 Salomé Idrobo x 18 César Palmay x Christian 19 Montenegro x 20 Christian Calvachi x 21 Pamela Díaz x 22 José Cuichán x 23 Pablo Herrera x 24 Madelyne Carrera x Estefanía 25 Arámbulo x 26 Dayana Clanjoy x 27 Estefanía Zuleta x 28 Celia Andrade 29 Gabriel Vizuete x 30 Jairo Revelo x 31 Pablo Salamea x 32 Santiago Morales x 33 José Dávila x 34 Joaquín Sanango x 35 Luis Herrera x x 36 Alejandro Santillán x Jacqueline 37 Chicaiza x 38 Cristian Quishpe x 15 - 25 años 26 - 35 años Más de 36 años 34 3 1 89,47% 7,89% 2,63% ANEXO B “SIMULACIÓN DE LA ENERGÍA DEL AIRE COMPRIMIDO POR UNIDAD DE PESO” B.1. SIMULACIÓN 1 Cilindro Neumático Diametro: 32 mm Presión: 80 psi Fuerza Cilindro: 99,72 lbs 45,3273 kg 400 mm 0,4000 m Consumo : 0,072 ft3 0,0021 m3 Volumen Esp. 6,53 kg/m3 6,53 kg/m3 Distancia Rec: Tabla B.1. Datos Técnicos Cilindro Neumático (Simulación 1) B.1.1. Formulario ¦B##Í@ 5_Â_]KL " z " ¼KF5LKK_1 Trabajo: 177,86 J Consumo: 0,0021 m3 Tabla B.2. Resultados de cálculo (simulación 1) ¶*>Bzí# ¦B##Í@ @*%A@ ô ¶*>Bzí# 84697,25 :Aq B.2. SIMULACIÓN 2 Cilindro Neumático Diametro: 46 mm Presión: 40 psi Fuerza Cilindro: 103,03 lbs 46,8318 kg 400 mm 0,4000 m Consumo : 0,082 ft3 0,0023 m3 Densidad: 3,26 kg/m3 3,26 kg/m3 Distancia Rec: Tabla B.3. Datos Técnicos Cilindro Neumático (Simulación 2) Trabajo: 183,77 J Consumo: 0,0023 m3 79899,15 J/kg Energía: Tabla B.4. Resultados de cálculo (simulación 2) B.3. SIMULACIÓN 3 Cilindro Neumático Diametro: 30 mm Presión: 100 psi Fuerza Cilindro: 109,56 lbs 49,8 kg 400 mm 0,4 m Consumo : 0,087 ft3 0,0025 m3 Densidad: 8,16 kg/m3 8,16 kg/m3 Distancia Rec: Tabla B.5. Datos Técnicos Cilindro Neumático (Simulación 3) Trabajo: 195,42 J Consumo: 0,0025 m3 Energía: 78166,08 J/kg Tabla B.6. Resultados de cálculo (simulación 3) B.4. SIMULACIÓN 4 Cilindro Neumático Diametro: 38 mm Presión: 60 psi Fuerza Cilindro: 105,47 lbs 47,9409091 kg 400 mm 0,4 m Consumo : 0,082 ft3 0,0023 m3 Densidad: 191,13 kg/m3 191,13 kg/m3 Distancia Rec: Tabla B.7. Datos Técnicos Cilindro Neumático (Simulación 4) Trabajo: 188,12 J Consumo: 0,0023 m3 81791,36 J/m3 Energía: Tabla B.8. Resultados de cálculo (simulación 4) B.5. ENERGÍA PROMEDIO POR UNIDAD DE MASA DEL AIRE COMPRIMIDO ENERGÍA 1 84697,25 J/m3 ENERGÍA 2 79899,15 J/m3 ENERGÍA 3 78166,08 J/m3 ENERGÍA 4 81791,36 J/m3 ENERGÍA PROMEDIO: 81138,46 Tabla B.9. Energía Promedio J/m3 ANEXO C “NORMA Y SIMBOLOGÍA NEUMÁTICA” ANEXO D “FOTOGRAFÍAS DEL PROTOTIPO” Vista Lateral del Sistema de Impulsión Neumático Vista del Cilindro Neumático y el Acumulador Vista Frontal de la Bicicleta Neumática Vista del Sistema de Propulsión Válvula reguladora de Presión Acumuladores de Aire Comprimido Cilindros Neumáticos y Sistema de Movimiento Mecánico ANEXO E “HOJAS DE PROCESOS” ANEXO F “PLANOS DE LA BICICLETA NEUMÁTICA” ANEXO G “PLANOS DE MONTAJE DE LA BICICLETA NEUMÁTICA”
