ADAPTACIÓN DE UNA MOTOCICLETA PARA LA

ACTIVIDAD AGRÍCOLA

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

Autor:

Alejandro Alonso Rodríguez

Asesor:

Carlos Francisco Rodríguez

Bogotá D.C

Colombia

20 de junio 2020

Introducción

Este proyecto de grado evalúa la alternativa de utilizar la motocicleta común para realizar

actividades de la agroindustria. El documento inicia presentando un contexto sobre maquinaria

agrícola y viabilidad de la idea para definir la mejor función que podría tener la motocicleta en

este nuevo campo. Según esta función y las características de la motocicleta, surgen distintos

desafíos ingenieriles como reducir la velocidad de la motocicleta manteniendo su estabilidad y

transformar la mayor parte de su potencia disponible en torque. Se plantean los subsistemas de

transmisión de potencia, tracción y acople que conforman el prototipo de solución. El cuerpo

del informe realiza una descripción detallada de todos los cálculos de relación de reducción

necesaria y la velocidad resultante, también presenta la selección de los elementos mecánicos

que proveerán esta relación de reducción y el diseño de los distintos elementos y uniones del

prototipo. En las conclusiones presenta un diseño funcional que consta del acople de 3 cadenas

mecánicas, una caja reductora de velocidad, un nuevo eje de tracción de dos ruedas y elementos

diseñados que unen todo a la tijera de la motocicleta. Finalmente hace un recuento sobre el

trabajo que resta por hacer, el cual consiste principalmente en manufacturar, ensamblar el

prototipo y probarlo en distintos terrenos agrícolas.

Abstract

This final degree project evaluates the option of using a common motorcycle in the agricultural

industry. The document begins presenting a context about agricultural machinery and the

viability of the idea. With this, it defines the best use that can be given to the motorcycle. There

are many engineering challenges that arise according to this use and the characteristics of the

motorcycle. These are such as reducing the velocity while maintaining its stability and

transforming most of its available power into torque. The subsystems of transmission of power,

traction and coupling are defined as the project solution. In its main part the document recounts

a detailed description of all the mathematical models and analysis over the velocity’s reduction

relationship and the nominal operation velocity of the prototype. Here it also describes the

selection of the different mechanical components and standard elements which define the

prototype unions. The conclusions present a functional design which is made from three

mechanical chains, a speed reducer gearbox, a new traction shift with new wheels and designed

elements that are used to join all the model. Finally, it reports the remaining work that must be

done to accomplish the idea in a successful way. These are mainly the manufacturing,

assembling, and testing of the final design.

Índice:

Todo proceso de diseño en Ingeniería requiere de una metodología definida y consistente para

ser exitoso. Para este proyecto se utilizó la metodología de diseño propuesta en el libro

“Engineering design principles” de Ken Hurst [1]. A continuación, se presentan

cronológicamente todos los pasos que se siguieron y desarrollaron durante este proyecto

siguiendo esta metodología.

1. Identificación del problema

1.1 Recolección de Información………………………………………………………………………….

1.2 Definición de Especificaciones de Diseño del Producto (PDS)……………………….

2. Diseño Conceptual

2.1 Conceptos sobre Subsistemas……………………………………………………………………….

2.2 Alternativas de Solución……………………………………………………………………………….

2.3 Selección de Alternativa de Diseño……………………………………………………………….

3. Diseño Detallado

3.1 Restricciones Geométricas……………………………………………………………………………

3.2 Definición de Relación de Reducción…………………………………………………………….

3.3 Simulación Dinámica y Definición de la Velocidad de Avance……………………….

3.4 Solución Preliminar……………………………………………………………………………………….

3.5 Selección de la Caja Reductora…………………………………………………………………….

3.6 Selección de Cadenas de Transmisión de Potencia……………………………………….

3.7 Definición de Uniones y Tolerancias de las Piezas…………………………………………

3.8 Diseño de Brazos de Acople y Selección eje de Tracción……………………………….

3.9 Selección de Elementos de Sujeción…………………………………………………………….

4. Diseño Final

4.1 Resultados de Diseño……………………………………………………………………………………

4.2 Verificación de los Requerimientos de Diseño………………………………………………

4.3 Ficha Técnica…………………………………………………………………………………………………

5. Conclusiones del Proyecto

6. Bibliografía

7. Anexos

1. Identificación del problema

En esta primera parte del proceso de diseño se desea concretar un problema específico a

resolver con sus debidos requerimientos y restricciones. El objetivo es tomar una situación del

mundo real y detallarla hasta el punto de obtener una necesidad puntual que pueda plantearse

como problema ingenieril [1]. En nuestro caso particular tenemos como situación la adaptación

de motocicletas mediante la adición de un reductor de velocidad para ser utilizadas en

actividades agroindustriales. Sin embargo, existen una variedad de actividades agroindustriales

que podrían requerir de distintas adaptaciones, distintas motocicletas en distintas condiciones

y con distintas capacidades que requerirían diferentes cambios para ser útiles en diferentes

actividades, al igual que muchas limitantes económicas y de viabilidad. Por esto la primera parte

de la definición del problema exige una vasta recolección de información que permita conocer

más a fondo la situación externa y sus variantes, la maquinaria disponible y sus capacidades y

los requerimientos de las distintas actividades agrícolas. Esta recolección de información debe

permitir conocer el panorama de cada uno de los requerimientos de un proyecto de Ingeniería:

Costos, Disponibilidad, Operación, Desempeño, Manufactura y Cumplimiento de Normas. Una

vez obtenida esta información se deben definir las Especificaciones de Diseño del Producto (PDS,

Product Design Specifications) para de esa manera concretar el problema con sus

requerimientos y restricciones.

1.1 Recolección de Información

• Actividades Agroindustriales

Las actividades agroindustriales más conocidas y en las que se destaca este proyecto son las

relacionadas con el sector de la agricultura. Por esto se seleccionan 5 actividades para investigar

la viabilidad del proyecto en ellas. La investigación de estas se centra en la definición y objetivos

de la actividad y en la maquinaria que es usada actualmente junto con sus requisitos ingenieriles.

1. Arado: La primera actividad es el arado, esta consiste en abrir surcos en la tierra para después insertar en estos las semillas de los productos a cultivar. Aquí lo más importante son las dimensiones y forma que debe tener el surco. Por lo general este es un hueco en forma de U debido a los montones de tierra que se forman a los lados. La profundidad de estos puede llegar a ser de hasta 30 cm y su ancho puede llegar a ser hasta de 70 cm entre los picos de la tierra removida. Normalmente se han utilizado tractores pequeños para realizar esta labor, a la parte trasera de estos se conectan unos aperos rotovators con cuchillas que remueven la tierra mientras el tractor avanza. Los rotovators más pequeños cuestan alrededor de $ 1´750.000= COP y pesan 175 kg. Estos tractores no requieren velocidades altas por lo que su límite de operación puede encontrarse por debajo de los 15km/h. Utilizando como modelo de tractor pequeño se encontró el Tractor 5036C de John Deer que tiene una potencia de 35 hp a 2100 rpm [2], los precios de los tractores más pequeños de esta marca rondan los $ 70’000.000= COP. Cabe resaltar que los tractores de esta marca tienen precios un poco elevados, por lo que se puede definir a los $ 50’ 000.000= COP como el precio estándar de estos. El peso de los tractores pequeños puede encontrarse normalmente entre 700 a 1000 kg.

Ilustración 1 Tractores John Deer para arado

2. Abono:

La segunda actividad en el proceso agrícola es el abono. La finalidad de esta es esparcir abono a lo largo de todo el terreno arado ya que este es un requisito necesario para una buena germinación de los cultivos. Este proceso requiere de velocidades bajas debido a que el viento podría llevarse el abono y no todos los surcos tendrían el abono necesario para ser cultivados. Para distribuir el abono se utilizan abonadoras, estas son maquinas cónicas que mezclan el agua con los desechos en la parte superior y luego lo liberan por la parte inferior. Para poder utilizar esto también es necesario un tractor que cargue a la abonadora a lo largo de todo el campo. La abonadora puede ser sostenida completamente por el tractor sin tocar el suelo o sostenida sobre un eje de tracción y añadida al tractor solo para ser desplazada. La primera opción genera esfuerzos sobre el tractor y un requerimiento de peso mínimo para que no se vuelque el sistema hacia atrás, mientras la segundo genera una nueva fuerza de tracción y una mayor necesidad de torque por parte de la maquinaria [3]. Las abonadoras pequeñas tienen un peso alrededor de 500 kg y un precio estimado de $ 1’772.691= COP [4].

Ilustración 2 Abonadora arrastrada acoplada a tractor

Ilustración 3 Abonadora suspendida acoplada a tractor

3. Siembra:

La tercera actividad investigada es la siembra, en esta se depositan las semillas de los productos deseados esperando a que germinen. Los terrenos en los que se realizan estas actividades suelen ser muy extensos y es necesario recorrerlo todo para sembrar en todo este y maximizar la producción. Para este no se debería utilizarse ningún tipo de maquinaría ya que no se requiere de fuerza o velocidad que excedan las capacidades humanas. Sin embargo, esta requiere demasiado tiempo y demasiado esfuerzo humano. Debido a las extensiones de los terrenos resulta contraproducente realizar varios trayectos para ir por las semillas y volver al punto en el que se desea depositarlas. Es por esto por lo que los trabajadores utilizan tractores para esta función a los cuales se les añaden aperos. Los aperos son máquinas que para este caso en particular pueden almacenar y liberar semillas, el tractor arrastra este mientras este realiza la función que en otro caso estarían haciendo los trabajadores sobre esforzándose. Los tractores utilizados aquí pueden ser también tractores pequeños como los especificados en la sección del arado, mismas condiciones de peso potencia y precio. Hay 3 tipos de acoples principales de aperos a tractores:

Apero suspendido: El apero es completamente soportado por el tractor, este modo aumenta los esfuerzos sobre el soporte del motor, pero reduce los esfuerzos de tracción que un cuerpo sobre la tierra podría generar.

Apero semi suspendido: El apero es sostenido en parte por el tractor, pero también tiene uno o dos puntos de apoyo sobre la tierra. Este reduce un poco los esfuerzos que debe soportar el acople en el tractor, la desventaja es que al tener una o más ruedas en contacto sobre la tierra genera fuerzas de tracción que el tractor debe estar en capacidad de suplir.

Apero arrastrado: El apero arrastrado va acoplado al tractor por una unión que solo se encarga de jalarlo causando que todo su peso descanse sobre las ruedas y el terreno. Estos son el tipo de apero que más fuerza de tracción necesita para poder funcionar. [3]

Las velocidades de los conjuntos tractor apero son bajas ya que el viento podría llevarse las semillas y depositarlas en zonas del terreno no deseadas. Los aperos de sembrado son muy parecidos a algunas abonadoras ya que también tienen la función de almacenar y liberar. Estos pueden incluir rotovators para triturar las semillas, el precio y peso estimado para estos aperos pequeños es muy parecido al de los dos tipos de aperos descritos anteriormente.

Ilustración 4 Apero arrastrado para siembra

4. Poda:

La cuarta actividad de la cadena es una subactividad de la actividad de cultivo. La poda es

necesaria para remover cultivos ya sea de algunas secciones con cultivos dañados o de secciones

con cultivos que ya germinaron y desean removerse para ser utilizadas de forma diferente.

También es necesario remover la maleza que puede germinar junto a ellos, como por ejemplo

el césped. Para esta actividad se utilizan muchos los tractores podadores (más para corte de

césped) y las podadoras acoplables a los tractores. Las podadoras pequeñas pueden pesar cerca

de 200 kg y tener un costo como el de un rotavator.

Ilustración 5 Podadora acoplada a tractor

5. Cultivo (riego):

La última actividad por estudiar es el cultivo que tiene como objetivo cuidar a las plantas

mediante varias actividades para garantizar un buen crecimiento. Al tener tantas actividades

diferentes resulta pertinente enfocarse en una, que en el caso de este proyecto es el riego. Para

poder regar todos los cultivos se han utilizado e instalado mangueras y aspersores que mediante

sistemas de control riegan el campo en periodos deseados. Dentro de las actividades de cultivo

también es necesario eliminar la maleza de las plantas. Es por esto por lo que el riego también

consiste en esparcir pesticidas y químicos que permiten llevar a cabo esta tarea. Para esta tarea

también se utilizan unos tipos de aperos llamadas pulverizadoras que tienen un tanque para

almacenar las sustancias y mecanismos para regarlas en el campo. Las más pequeñas tienen un

precio y peso estimado correspondientemente de $ 3’172.000= COP y 200 litros de capacidad

(llenos de agua equivaldrían a un peso de 200kg, más el peso de la maquina puede estimarse en

300 kg) [4].

Ilustración 6 Pulverizadora pequeña acoplada a tractor

• Limitantes del entorno

En esta segunda parte de la recolección de información se trata de encontrar datos suficientes

para determinar la viabilidad del proyecto. Es por esto por lo que se recoge información sobre

lo que son principalmente variables económicas y de disponibilidad. Dado que el proceso de

recolección de información es continuo, aquí trata de complementarse desde otra perspectiva

la información presentada en la sección anterior.

1. Motocicletas:

La maquinaria más importante de nuestro proyecto es la que se utiliza en la alternativa a la

problemática que en este caso es la motocicleta. Aunque el proyecto está limitado a utilizar la

moto YAMAHA XTZ125 resulta pertinente investigar sobre el estado de la amplia gama de

motocicletas en el país. Para finales de 2018 según un artículo de El Tiempo había en Colombia

8.2 millones de motocicletas y se estimaba que cada 1 de 7 personas tenía una motocicleta en

el país. Entre enero y diciembre de ese año se matricularon casi 500.000 nuevas unidades

correspondiente a un incremento del 9.4% [5]. Este comportamiento no es raro y ya venía

marcando una fuerte tendencia desde el año 2010. En un artículo de abril del 2018 de La

República se encontró desde el 2008 y hasta el 2017 que la cantidad de motocicletas en

Colombia aumento de 2 a casi 8 millones, superando en el 2010 a la cantidad de automóviles. El

siguiente gráfico obtenido del articulo resume eficazmente la situación y también muestra datos

interesantes sobre las empresas y su participación en este mercado [6].

Gráfico 1 Cantidad de motocicletas en Colombia entre 2010 y 2017

Esta tendencia no disminuyó en el último año, según otro artículo del mismo periódico el

incremento de motocicletas respecto al 2019 fue de 16.6%, lo que quiere decir que la compra y

disponibilidad de motocicletas ha venido y sigue aumentando. Se puede concluir que hay

disponibilidad y medios para comprar motocicletas en Colombia.

El otro factor importante para investigar es el precio de estas motocicletas. Actualmente la

motocicleta del proyecto se encuentra valorizada en $ 7.151.000= COP. Un dato interesante de

toda maquinaria es la relación precio potencia. La siguiente grafica plasma esta relación a partir

de los datos de precio y potencia nominal de los modelos YAMAHA XTZ150 Y XTZ250 que son

los otros dos modelos todoterreno de esta marca [7].

Tabla 1 Relación potencia precio motocicletas

Modelo YAMAHA Potencia Nominal (HP)

Precio (COP) Velocidad (rpm)

XTZ125 10 7.151.000 7500

XTZ150 12.3 8.550.000 7500

XTZ250 20.4 17.100.000 8000

Gráfico 2 Relación potencia precio motocicletas

Es pertinente notar que podría linealizarse esta relación, para simplificar el caso se toma la

relación de la moto Yamaha XTZ125 para comparación $ 715.100 COP/hp.

2. Tractores Pequeños

Las capacidades de la motocicleta evaluadas a partir de la industria no parecen ser muy

parecidas a las de los aperos y por ende se descarta sustituir a estos por una motocicleta. Los

tractores en cambio con más peso y potencia operan de forma mucho más similar que la

motocicleta. La inclusión de la motocicleta como maquinaria para la agroindustria está mucho

más relacionada a las funciones de un tractor y por esto vale la pena hacer una investigación

sobre la viabilidad de su uso. De dos artículos de la república se puede evidenciar que el mercado

de tractores no tiene un auge como el de las motocicletas. El primer artículo del 2012 menciona

que el promedio de tractores integrados al año era de 1700 y que esperaba que este creciera a

5000. El segundo artículo del 2017 evidencia que esto no ha sido así, en el 2017 se importaron

1776 tractores y en el 2016, 1330. En la siguiente gráfica puede verse como se repartían en el

2017 el mercado de tractores en Colombia entre diferentes empresas [8].

7500 7500

8000

1012.3

20.4

0

5

10

15

20

25

7400

7500

7600

7700

7800

7900

8000

8100

$5,000,000 $7,000,000 $9,000,000 $11,000,000 $13,000,000 $15,000,000 $17,000,000 $19,000,000

Po

ten

cia

(Hp

)

Precio (COP)

Relación Potencia Precio Motocicletas

Velocidad (rpm) Potencia Nominal (HP) Linear (Potencia Nominal (HP))

Gráfico 3 Tractores importados en 2015 y 2016

La demanda de la motocicleta excede por mucho a la demanda de los tractores cosa que

siempre ha sido muy evidente. La diferencia para notar es en la tendencia de crecimiento que

ha tenido la cantidad de cada una de estas máquinas. Mientras la tendencia a conseguir

motocicletas es cada vez mayor, la tendencia de los tractores fluctúa y no es congruente. Para

un país tan dependiente de la agricultura como Colombia, una máquina tan útil en esta como lo

es el tractor debería ser más solicitada. Esto permite inferir que no hay un gran deseo por

incorporar tractores a la agroindustria o que estos no son tan accesibles.

El tractor es una máquina mucho más potente que la motocicleta y es por eso por lo que vale la

pena comparar su relación de precio potencia con la de la motocicleta. La relación del tractor

5036C de John Deer, con una potencia nominal de 35hp y un costo estimado de $ 50’000.000=

COP, es de $ 1’428.571 COP/Hp. El tractor farmall 55C CASE de 57,6 Hp de potencia cuesta

$ 70’ 000.000=, por lo que tiene una relación precio potencia de $ 1’215.277 COP/Hp [9]. Los

resultados aquí son concluyentes y demuestren que comprar potencia en un tractor es

significativamente más costoso que en una motocicleta.

• Condiciones y capacidades de la maquinaria disponible

La tercera parte de esta recolección de información se enfoca en el trabajo previo llevado a cabo

y en las condiciones y capacidades de la maquinaria utilizada. El proyecto de grado presentado

por Miguel Ángel Díaz Caviedes el 12 de junio de 2018 en la Universidad de los Andes es el

trabajo previo más reciente realizado para evaluar esta alternativa. En este se removió el eje

trasero de la moto para añadir un nuevo tren de tracción de dos llantas con un nuevo reductor

de velocidad, todo con el fin de adaptar la motocicleta para el arado. Debido a factores de

disponibilidad en este proyecto se trabaja con la misma motocicleta que en aquel entonces, por

lo tanto, es imperativo conocer las capacidades el diseño actual y sus deficiencias.

La motocicleta utilizada es una motocicleta Yamaha XTZ 125 que cuenta con un motor de 4

tiempos SOHC. El motor provee 10 hp de potencia operando a 7800 rpm y 10N*m de torque a

5500 rpm [10]. La motocicleta mide 1.98 m de largo, 0.745 cm de ancho y 1.08 m de alto; la

altura del piso a la cima del asiento es de 0.78 m. El vehículo pesa 118 kg con el tanque lleno.

Consta de 3 reductores de velocidad: El primero un engranaje interno del motor que

proporciona una relación de reducción de 3.4, el segundo la caja de cambios que su relación de

reducción depende del cambio engranado (se encuentran en la siguiente tabla [11]), y el tercero

es la cadena que conecta el piñón del motor con la llanta trasera con una relación de reducción

de 3.571. Estos datos fueron obtenidos entre mediciones propias, ficha técnica del fabricante y

datos registrados en el proyecto de Miguel Ángel.

Tabla 2. Reducción de la motocicleta a partir del cambio Engranado

Cambio Reducción

Primera 3.0

Segunda 1.78

Tercera 1.32

Cuarta 1.05

Quinta 0.88

La condición actual de la moto fue diseñada para operar en el primer cambio de la caja de

cambios con el motor operando a 7100 rpm y un torque de entrada de 6.63 N*m. Esto transmitía

un torque de 191 N*m a la rueda trasera para llevar la moto a 7.5 m/s, esto no era suficiente

para vencer los 3.13kN de fuerza, que según su cálculo requería esta moto para el arado. Por

esta razón se retiró la rueda trasera y se añadió un nuevo tren de tracción a través de una

extensión de la tijera que consta de una nueva reducción de cadena que conecta un eje donde

se encuentran las nuevas llantas de 38 cm de diámetro [11].

En este proyecto se concluyó que la motocicleta tiene la potencia de realizar la actividad del

arado utilizando una zanja acoplada de manera conveniente a la motocicleta. También se

determinó que económicamente la solución es más viable que utilizar un motocultor siempre y

cuando el usuario esté dispuesto a realizar el acople del nuevo tren de tracción. El torque óptimo

que utiliza la moto con esta modificación es de 564 N*m utilizando la primera relación de

reducción de la caja de cambios. De acuerdo con las pruebas realizadas el ensamble es funcional

y la cadena cinemática de transmisión de potencia también lo es.

1.2 Especificaciones de Diseño del Producto

Esta sección especifica los objetivos y requerimientos del proyecto utilizando un PDS como lo

sugiere el libro “Engineering Design Principles” de Ken Hurst.

Prólogo:

En Colombia el mercado de las motocicletas viene en constante ascenso, durante la última

década cada año aumentó el número de motocicletas registradas respecto al anterior. En la

industria agrícola la maquinaria más importante es el tractor dado que es utilizado para casi

todos los procesos que esta requiere. Este es utilizado para transportar aperos; maquinas que

realizan funciones como arado, riego y siembra; a lo largo de los campos. Aunque la

agroindustria es demasiado importante en Colombia, el mercado de los tractores no muestra

una tendencia de crecimiento. Ambas máquinas son utilizadas como fuentes de potencia

mecánica. El tractor ofrece mucha más que la motocicleta, pero lo hace a un costo muchísimo

mayor. Existe entonces la posibilidad de evaluar si se puede modificar las motocicletas para

remplazar los tractores pequeños en la función que estos últimos desempeñan en la

agroindustria. En el proyecto realizado por Miguel Ángel Caviedes en junio del 2018, se logró

modificar una motocicleta Yamaha XTZ125 para arar utilizando una zanja.

Objetivos:

Diseñar una adaptación a la motocicleta común que incluya un reductor de velocidad y nuevo

tren de tracción trasera para ser capaz de desplazar aperos de un peso entre 175 y 500 kg a lo

largo de un campo agrícola.

Diseñar una adaptación a la motocicleta común para que pueda operar a velocidades menores

de 15 km/h sin que pierda estabilidad.

Desarrollar una alternativa a los tractores pequeños en el mercado de la agroindustria que sea

más viable en términos de disponibilidad y costo.

Alcance:

Desarrollar un primer prototipo basado en la motocicleta Yamaha XTZ125 que sirva como piloto

para considerar e implementar esta alternativa en la agroindustria. El prototipo desarrollado

debe suplir los requerimientos de transmisión de potencia para poder mover un apero pequeño,

no es necesario que la modificación permita un ensamble a este.

Requerimientos:

1. Requerimientos de Manufactura

• Todas las piezas del prototipo deben ser manufacturadas a partir de procesos instalados

en la Universidad de los Andes.

• El prototipo debe ser manufacturado en materiales que puedan soportar altos impactos

y esfuerzos.

2. Requerimientos de Normativa

• No se establecen requerimientos de normativas

3. Requerimientos de Operación

• El nuevo ensamble de reductor y tren de tracción debe ser fácilmente desmontable a la

motocicleta.

• La modificación debe permitir al usuario operar la motocicleta de la misma manera que

lo haría normalmente.

4. Requerimientos de Disponibilidad y Eliminación

• El prototipo de solución debe poder utilizarse con cualquier motocicleta común.

5. Requerimientos de Funcionalidad

• La motocicleta debe incluir una reducción de velocidad de 10:1 para generar el torque

necesario requerido para desplazarla a ella y a un apero pequeño (175 a 500 kg) en un

campo agrícola.

• La motocicleta debe operar a velocidades menores de 15 km/h

• La motocicleta debe poder mantener la estabilidad lateral operando a una velocidad de

avance de 10km/h en campos agrícolas.

2. Diseño Conceptual

Después de definir los requerimientos y el enfoque del proyecto, comienza el proceso de diseño

y manufactura de una solución ingenieril que satisfaga correctamente estas necesidades. En el

diseño no existe una sola solución a los problemas, de hecho, existen infinitas soluciones

posibles y cada una de ellas puede ser mejor si se evalúa desde un requerimiento del proyecto

en particular. El objetivo de los procesos de diseño es entonces jerarquizar los requerimientos e

idear la solución más optima posible evaluada a partir de este nuevo ranking. Para esto es

necesario proponer y evaluar la mayoría de las ideas y soluciones posibles para así estar más

cerca de elegir, diseñar y manufacturar la solución más optima.

La etapa de diseño conceptual se divide en tres partes. La primera consiste en un proceso de

creatividad, principalmente una lluvia de ideas, con el fin de poder tener una gran variedad de

conceptos para proponer diversas alternativas de solución. En la segunda estos conceptos se

intentan integrar para generar estas alternativas de solución. La tercera consiste en tomar los

requerimientos y jerarquizarlos mediante métodos convencionales para con estos determinar

la alternativa de solución más optima y la que será llevada a cabo.

2.1 Conceptos sobre Subsistemas

El objetivo del proyecto es lograr modificar una motocicleta para que pueda realizar funciones

en la agroindustria. Esta modificación está subdividida esencialmente en 3 subsistemas. Los

conceptos propuestos a continuación son ideas puntuales de cómo podrían llevarse a cabo estos

subsistemas. Los subsistemas y sus conceptos son presentados a continuación.

1. Transmisión de Potencia

El subsistema de transmisión de potencia consiste en todas las partes y mecanismos que

transmiten el movimiento entre la salida del motor y el eje que soporta las llantas (eje de

tracción). Los conceptos propuestos para el desarrollo de este son:

• Reductor de Velocidades Compacto

El subsistema de transmisión de potencia está conformado por una caja con engranajes adentro

que provee una relación de reducción entre la salida de la cadena conectada a salida del motor

y el eje de tracción. Esta se ubica en el espacio liberado al retirar la llanta de la tijera de la

motocicleta.

• Reductor de Velocidades entre Cadenas y Ejes

La potencia se transmite únicamente a partir de ejes y sprockets unidos con cadenas. Varios ejes

cada uno con sus respectivos sprockets son añadidos entre la cadena a la salida del motor y el

eje de tracción y conectados mediante cadenas. De esta manera transmiten la potencia y

modifican la velocidad y fuerza proporcionalmente a la relación de reducción que determine su

geometría y configuración.

2. Tracción (Eje de Tracción y llantas)

El subsistema de tracción está conformado por las ruedas y el mecanismo o parte primaria

mediante el que están conectadas con el subsistema de transmisión de potencia y/o el

subsistema de acople.

• Ruedas de la motocicleta

La rueda trasera de la motocicleta es removida y el eje remplazado por uno con el mismo

diámetro pero más largo. Utilizando el espacio excedente del nuevo eje se ensamblan la rueda

original y una copia idéntica cada una a un lateral externo de la motocicleta soportadas por el

nuevo eje.

• Ruedas Pequeñas sobre Eje Solidario

Utilizar como subsistema de tracción el mecanismo diseñado y realizado por Miguel Ángel Diaz

en el proyecto previo. Este consiste en dos llantas pequeñas de 38 cm de diámetro soportadas

sobre un eje a una distancia de 50 cm. Debido a su geometría este tren de tracción no puede

añadirse directamente a la motocicleta y requiere de los otros dos subsistemas para funcionar.

• Ruedas Pequeñas e Independientes

El concepto principal es obtener dos trenes de tracciones iguales pero independientes. Cada

tren de tracción cuenta con una de las llantas de 38 cm y esta soportada sobre un eje muy corto

mediante el que está conectada a los subsistemas de tracción y acople. Las dimensiones y

posiciones de este soporte son iguales y su movimiento también pero no se encuentran

conectadas directamente.

3. Acople

El subsistema de acople abarca todas las uniones entre los otros dos subsistemas y la

motocicleta. Este está compuesto a partir de todas las partes que unen directa o indirectamente

a estos tres.

• Tijera Actual.

El acople de los dos subsistemas a la motocicleta se realiza únicamente utilizando la tijera actual.

Todos las partes y ensambles que componen los subsistemas de tracción y de transmisión están

unidos directamente a la tijera de la motocicleta.

• Adiciones a la Tijera.

En este caso se diseñan y manufacturan nuevas piezas para ser añadidas a la tijera de la

motocicleta. Estas nuevas partes tienen una forma de ser ensambladas a ciertos componentes

de los otros dos subsistemas, de esta manera el conjunto motocicleta, transmisión de potencia

y tren de tracción queda unido en un solo sistema. Estas adiciones no deben conectar los otros

dos subsistemas directamente aunque también es una posibilidad.

2.2 Alternativas de Solución

Cada uno de los conceptos propuestos es un subsistema diferente. Mediante la integración de

estos se obtienen distintas alternativas de solución con ventajas y desventajas con respecto a

cada uno de los requerimientos del problema. Las alternativas de diseño obtenidas mediante la

integración de subsistemas del mismo tipo son mutuamente excluyentes. Por ejemplo, no se

puede tener un tren de tracción de Ruedas Pequeñas con eje Solidario a la vez que se tiene uno

con Ruedas Pequeñas de eje independiente, pero cualquiera de los subsistemas de tracción

propuestos puede integrarse con cualquiera de los subsistemas de transmisión y/o de acople.

Existe una excepción para los subsistemas conceptuales de tipo transmisión de potencia, dado

que estos pueden integrarse como un solo sistema de transmisión de potencia, el concepto de

reductor integrado que aparece a continuación retrata esta posibilidad. El siguiente diagrama

muestra la posible interacción entre los distintos subsistemas conceptuales propuestos.

Transmisión Tracción Acople

Figura 1 Proceso de Integración

Cabe notar que el diagrama solo presenta la forma en la que ocurren las posibles integraciones

y como estas resultan en una alternativa de solución. Las alternativas de solución presentes en

el son solo algunas de todas las alternativas posibles.

Se podría pensar que se tienen entonces 18 alternativas de solución posibles. Sin embargo, no

todas las alternativas que pueden resultar a partir de integrar los conceptos como muestra el

diagrama son alternativas viables o realizables, dado que la integración puede convertir dos

conceptos incompatibles. Previamente a presentar y describir a fondo las alternativas de

solución que serán tenidas en cuenta, es necesario presentar las alternativas imposibles y dar

una breve descripción de porque están siendo descartadas.

1. Alternativas de Solución Descartadas

La forma más sencilla de descartar es realizando primero procesos de descarte generales. Con

solo dos conceptos completamente incompatibles entre ellos, ya se pueden descartar varias

alternativas de solución.

A. Reductor de Velocidades Compacto con Ruedas Pequeñas e Independientes o con

Ruedas Pequeñas de Eje Solidario

Reductor de

Velocidades

Compacto

Reductor de

Velocidades Entre

Cadenas y Ejes

Reductor

Integrado

Ruedas de la

Motocicleta

Ruedas

Pequeñas

sobre Eje

Solidario

Ruedas

Pequeñas e

Independientes

Tijera

Actual

Adiciones

a la Tijera

Alternativa

de Solución

Alternativa

de Solución

Alternativa

de Solución

Alternativa

de Solución

El concepto de reductor de velocidades compacto es una caja con ejes y engranajes adentro que

provea una relación de reducción. La razón por la que este es incompatible con cualquiera de

los dos trenes de tracción que utilizan ruedas pequeñas es una restricción geométrica. El

reductor no puede extenderse mucho en el espacio, el fin de este es transmitir la potencia entre

eje cercanos, aumentar el reductor de tamaño y por ende aumentar el tamaño de los engranajes

genera demasiados problemas ya que no permitirá definir a gusto la relación de reducción que

este puede proveer. La otra opción es acercar el tren de tracción al reductor, el problema aquí

es la interferencia que puede tener el cuerpo de la motocicleta con el suelo. Sin cadenas y ejes

que conecten el eje de tracción con el reductor, el o los ejes de tracción tendrían que estar muy

cerca de la tijera para que el reductor pueda recibir la potencia que transmite la cadena a la

salida del motor. La distancia vertical entre la tijera y parte más baja del cuerpo de la motocicleta

es pequeña, teniendo en cuenta que la distancia sobre el suelo que proporcionan las llantas

pequeñas también es poca, esta alternativa es inviable.

Al ser incompatible este concepto de transmisión de potencia con dos conceptos de tracción se

descartan 4 alternativas de solución:

▪ Reductor de Velocidades Compacto con Ruedas sobre Eje Solidario y Tijera Actual

▪ Reductor de Velocidades Compacto con Ruedas sobre Eje Solidario y Adiciones a la Tijera

▪ Reductor de Velocidades Compacto con Ruedas Pequeñas Independiente y Tijera Actual

▪ Reductor de Velocidades Compacto con Ruedas Pequeñas e Independiente y Adiciones

a la Tijera.

B. Reductor de Velocidades entre Ejes y Cadenas integrado con Acople de Tijera Actual.

Para poder ensamblar este tipo de reductor de velocidad es necesario tener varios agujeros

donde apoyar los ejes a los que se unirán los sprockets. La tijera cuenta con una cavidad en la

que pueden añadirse máximo dos ejes iguales a una distancia fija y corta. Los sprockets sobre

estos ejes deben estar alineados y al existir tan poca distancia entre los ejes, estos causarán una

interferencia. No importa que subsistema de tracción se seleccione, jamás podrá integrarse

correctamente con la combinación de estos dos subsistemas.

De esta manera se descartan otras 3 alternativas de solución.

▪ Reductor de Velocidades con Ejes y Cadenas con Tijera Actual y Ruedas de la Moto

▪ Reductor de Velocidades con Ejes y Cadenas con Tijera Actual y Ruedas Pequeñas sobre

Eje Solidario

▪ Reductor de Velocidades con Ejes y Cadenas con Tijera Actual y Ruedas Pequeñas e

Independientes

C. Reductor Integrado con Tijera Actual

El reductor integrado ya tiene integrados los otros dos conceptos de reductores propuestos.

Integrar un reductor compacto al reductor de cadenas y ejes no soluciona el problema que tiene

el segundo para integrarse al subsistema de acople con tijera actual, dado que no soluciona la

restricción de espacio. En cambio sí se integra el reductor de ejes y cadenas al reductor

compacto, no será necesario acercar el tren de tracción al reductor compacto y este subsistema

podrá integrarse con los subsistemas de tracción que utilizan ruedas pequeñas.

El subsistema de reductor integrado resulta incompatible con el subsistema de tijera actual, de

esta forma se descartan otras 3 alternativas de solución.

▪ Reductor Integrado con Tijera Actual y Ruedas de Moto

▪ Reductor Integrado con Tijera Actual y Ruedas Pequeñas con Eje Solidario

▪ Reductor Integrado con Tijera Actual y Ruedas Pequeñas e Independientes

Otras alternativas de solución pueden parecer viables cuando tan solo se han integrado dos

componentes, pero al integrar el tercero la alternativa no es funcional y es descartada.

D. Alternativas Puntuales Descartadas

▪ Reductor de Compacto con Ruedas de la Motocicleta y Tijera Actual

Utilizando solamente la tijera actual no hay agujeros suficientes para insertar el eje de entrada

del reductor compacto y el eje de salida en el que se ubican las ruedas de la motocicleta. La tijera

solo permite añadir dos ejes a una distancia muy corta, restricción que no permite espacio para

la caja de reducción.

La siguiente tabla presenta un resumen de las alternativas de solución que fueron descartadas

y las que serán evaluadas para seleccionar la óptima que será desarrollada en el proyecto.

Tabla 3 Alternativas de Solución

Alternativas de Solución Viables Alternativas de Solución Descartadas

1. Reductor de Velocidad Compacto

con Ruedas de la Motocicleta y Adiciones a la Tijera

1. Reductor de Velocidades Compacto

con Ruedas Pequeñas sobre Eje Solidario y Tijera Actual

2. Reductor Integrado con Ruedas de la

Motocicleta y Adiciones a la Tijera

2. Reductor de Velocidades Compacto

con Ruedas Pequeñas sobre Eje Solidario y Adiciones a la Tijera

3. Reductor Integrado con Ruedas

Pequeñas de Eje Solidario y Adiciones a la Tijera

3. Reductor de Velocidades Compacto

con Ruedas Pequeñas Independientes y Tijera Actual

4. Reductor Integrado con Ruedas

Pequeñas e Independientes y Adiciones a la Tijera

4. Reductor de Velocidades Compacto

con Ruedas Pequeñas e Independiente y Adiciones a la Tijera

5. Reductor de Ejes y Cadenas con

Ruedas de la Motocicleta y Adiciones a la Tijera

5. Reductor de Velocidades con Ejes y

Cadenas con Tijera Actual y Ruedas de la Motocicleta

6. Reductor de Ejes y Cadenas con

Ruedas Pequeñas de Eje Solidario y Adiciones a la Tijera

6. Reductor de Velocidades con Ejes y

Cadenas con Tijera Actual y Ruedas Pequeñas sobre Eje Solidario

7. Reductor de Ejes y Cadenas con

Ruedas Pequeñas e Independientes y Adiciones a la Tijera

7. Reductor de Velocidades con Ejes y

Cadenas con Tijera Actual y Ruedas Pequeñas e Independientes

8. Reductor Integrado con Tijera Actual

y Ruedas de Moto

9. Reductor Integrado con Tijera Actual

y Ruedas Pequeñas con Eje Solidario

10. Reductor Integrado con Tijera Actual

y Ruedas Pequeñas e Independientes

11. Reductor compacto con Rueda de la

Motocicleta y Tijera Actual

2. Alternativas de Solución viables

Es necesario entender primero lo fundamental sobre las nuevas alternativas de solución. Con

este fin es pertinente realizar una descripción de todas las alternativas de solución viables antes

de compararlas y seleccionarlas. Esta descripción incluye una exposición no detallada sobre el

ensamble, presenta las ventajas y desventajas del sistema respecto a ciertos requerimientos y

define sus componentes reales. A continuación se presentan las alternativas con su respectiva

descripción en el mismo orden que se encuentran en la tabla anterior.

• Reductor de Velocidad Compacto con Ruedas de la Motocicleta y Adiciones a la Tijera

La solución consiste en remover la llanta original del eje trasero y remplazar este por uno más

largo. Esto con el fin de poder añadir otra llanta idéntica y tener un nuevo tren de tracción de

dos llantas traseras. Las dos llantas traseras se ubican en los laterales externos de la motocicleta

sobre el nuevo eje más largo que se ubica en un nuevo soporte acoplado a la tijera. La salida del

motor consiste en un eje al que va conectado un sprocket, a este se le añade una cadena que se

une a otro sprocket soportado en el eje de entrada a la caja de reducción. La caja de reducción

cuenta con ejes y engranajes que transmiten la potencia a un eje de salida que es el mismo eje

sobre el que se soportan las llantas de la motocicleta. La caja de reducción es soportada sobre

una base que se encuentra añadida a la tijera. Al tener dos ruedas de alto diámetro ubicadas a

lados distintos del centro de masa se obtiene principalmente una buena estabilidad para la

motocicleta. Utilizar ruedas con diámetros mayores para entrar en contacto con el suelo genera

menores fuerzas de tracción y mayores velocidades lineales, esto significa que el sistema rodara

cuando sea sometido a fuerzas de adherencia menores. Teniendo el eje en una posición de

altura significativa casi que se puede garantizar que este no entrara en contacto con la tierra. La

relación del reductor de velocidad puede definirse fácilmente y convertir la potencia a fuerza o

a velocidad según sea necesario. La posición de las ruedas sigue muy limitada a las dimensiones

de la caja de reducción ya que su eje es el mismo eje de salida de esta. Si se deseara las adiciones

a la tijera permitirían alejar el tren de tracción de la motocicleta, el problema es que en esta

alternativa no existiría una forma de mover el eje.

• Reductor Integrado con Ruedas de la Motocicleta y Adiciones a la Tijera

Esta alternativa de solución es muy parecida a la descrita anteriormente, la diferencia radica en

incluir otra cadena con sprockets para transmitir la potencia entre el eje de salida de la caja de

reducción y el eje de tracción. Cada uno de estos ejes cuenta con un sprocket que van unidos

mediante la nueva cadena. Esto elimina la restricción geométrica en la que el eje de tracción

debe ser el mismo que el eje de salida de la caja de reducción. El sistema de tracción y acople es

el mismo pero la distancia entre el eje de tracción y la motocicleta ya no se encuentra tan

restringida.

• Reductor Integrado con Ruedas Pequeñas de Eje Solidario y Adiciones a la Tijera

En esta alternativa se añade una caja de reducción de velocidad y una base añadida a la tijera

que la soporte. Las ruedas se ubican en lados distintos del centro de masa por lo que tiene buena

estabilidad. El eje solidario se ensambla a la motocicleta mediante unos brazos acoplables a la

tijera. Para soportar la caja reductora se añade una base a la parte superior de la tijera. El eje de

salida de la caja reductora tiene un sprocket que va conectado mediante una cadena al eje de

tracción. Al tener ruedas pequeñas la fuerza de tracción que realiza la motocicleta para un

torque determinado es mayor y la motocicleta funcionara para fuerzas de adherencia menores.

El diámetro de las ruedas es menor y por ende su velocidad lineal a la salida también lo es. Esta

alternativa cuenta con un problema, teniendo el eje solidario tan abajo es muy posible que este

interfiera con la tierra o la maleza mientras la motocicleta está en uso.

• Reductor Integrado con Ruedas Pequeñas e Independientes y Adiciones a la Tijera

A diferencia de la alternativa de solución anterior, esta alternativa no tiene un eje solidario para

solucionar el problema de la interferencia entre el suelo y este. El ensamble de los subsistemas

es un poco más complejo aunque las variables de fuerza y velocidad se mantienen igual. El eje

de salida de la caja reductora cuenta en este caso con dos sprockets en sus extremos, cada uno

de estos sprockets va conectado mediante una cadena a otro sprocket soportado sobre un

pequeño eje que también soporta la rueda. Los sprockets de cada lado son idénticos para

transmitir la misma relación de potencia a las ruedas. Cada pequeño eje va conectado mediante

un brazo acoplable a la tijera. Al ser la transmisión de potencia de cada eje independiente la

tracción podría sufrir cambios debido a la fricción y/o adherencia de cada rueda, el balance no

es tan estable como lo es con un eje solidario. Los esfuerzos sobre ese pequeño eje son mayores

haciéndolos piezas más vulnerables.

• Reductor de Ejes y Cadenas con Ruedas de la Motocicleta y Adiciones a la Tijera

La transmisión de potencia se realiza utilizando únicamente ejes y cadenas. Aunque depende de

qué relación se quiera establecer puede ser necesario añadir más ejes y sprockets entre el eje a

la salida de la cadena del motor y el eje de tracción. El tren de tracción se soporta mediante el

mismo subsistema de acople que la alternativa número dos, con la diferencia de que este

soporte añadido a la tijera cuenta con agujeros para permitir la entrada de los nuevos ejes que

conforman el reductor de velocidad. En cuanto a balanceo, velocidad y fuerza sus ventajas y

desventajas son las mismas que en la alternativa número 2.

• Reductor de Ejes y Cadenas con Ruedas Pequeñas de Eje Solidario y Adiciones a la Tijera

La transmisión de potencia ocurre de la misma manera que en la alternativa anterior, por lo

tanto las ventajas y desventajas de la relación de reducción son las mismas. El acople entre el

tren de tracción y la motocicleta se realiza mediante brazos añadidos a la tijera con varios

agujeros para soportar los ejes del mecanismo de reducción. Respecto a las condiciones de

tracción todas son las mismas que en la alternativa número 3. Esta alternativa de solución es la

que utilizo Miguel Ángel Diaz en su proyecto.

• Reductor de Ejes y Cadenas con Ruedas Pequeñas e Independientes y Adiciones a la

Tijera

La relación de reducción se da mediante varios ejes y cadenas con sus respectivos sprockets

entre el eje a la salida de la cadena del motor y dos ejes independientes que soportan las ruedas

pequeñas. El subsistema de acople consiste en dos brazos independientes, con agujeros para

poder soportar los ejes del mecanismo de reducción, que van añadidos a la tijera y cada uno a

uno de los ejes pequeños que soportan las ruedas independientes. El subsistema de tracción

contiene las mismas ventajas, desventajas y problemas que la alternativa número 4. El balance

en esta alternativa no es tan bueno al no tener un eje que una las ruedas.

2.3 Selección de Alternativa de Diseño

El proceso de selección de la alternativa de diseño comienza con el ranking de los

requerimientos, a partir de este se podrá calificar las diferentes alternativas de solución y elegir

la mejor. Este ranking de requerimientos se realiza utilizando la matriz binaria de dominancia.

La matriz compara a cada requerimiento contra cada requerimiento otorgando un valor de 1 al

más importante, 0 al menos y 0.5 si tienen igual importancia. Al final los puntajes de cada

requerimiento son sumados y los requerimientos son ordenados de mayor a menor

estableciendo así su importancia.

1. Ranking de Requerimientos

A continuación se presenta la matriz binaria de dominancia para los requerimientos de este

proyecto.

Tabla 4 Matriz Binaria de Dominancia

Criterio 1 2 3 4 5 6 7 8 Total Puesto Peso

1. Torque Necesario 1 1 1 1 1 1 0 5.5 2 0.200

2. Velocidad Baja 0 0 1 1 1 1 0 4 4 0.145

3. Estabilidad Lateral 0 1 1 1 1 1 0 5 3 0.182

4. Volumen Mínimo 0 0 0 0 0 0.5 0 0.5 7 u 8 0.018

5. Peso 0 0 0 1 0.5 1 0 2.5 5 o 6 0.091 6. Opera en Diversidad de Campos Agrícolas 0 0 0 1 0.5 1 0 2.5 5 o 6 0.091 7. Montabilidad y Desmontabilidad 0 0 0 0.5 0 0 0 0.5 7 u 8 0.018

8. Operabilidad 1 1 1 1 1 1 1 7 1 0.255

Total 27.5 1.000

En la matriz puede apreciarse el ranking y la importancia de los requerimientos del proyecto

luego de compararlos entre ellos. La última columna corresponde al porcentaje del puntaje

obtenido por cada requerimiento entre su calificación y la suma de las calificaciones de todos

los requerimientos.

2. Selección de Mejor Alternativa

Después de obtener el ranking y peso de los requerimientos en el proyecto, se clasifica cada

alternativa de solución viable a partir de estos. A todas las alternativas de solución se les otorga

un porcentaje de como cumplen con el requerimiento. La sumatoria corresponde al puntaje final

de cada alternativa de solución, la que obtiene el puntaje más alto es la seleccionada para

diseñar y manufacturar como solución del proyecto.

Tabla 5 Ranking de alternaticvas de solución

Criterio/ Alternativa de Solución Peso 1 2 3 4 5 6 7

1. Torque Necesario 0.2 60% 60% 70% 70% 70% 60% 60%

2. Velocidad Baja 0.145 50% 50% 70% 70% 40% 60% 60%

3. Estabilidad Lateral 0.182 70% 70% 60% 50% 50% 40% 30%

4. Volumen Mínimo 0.018 50% 50% 60% 70% 50% 60% 60%

5. Peso 0.091 50% 30% 40% 50% 50% 60% 60%

6. Opera en Diversidad de Campos Agrícolas 0.091 70% 80% 60% 70% 50% 30% 40%

7. Montabilidad y Desmontabilidad 0.018 60% 40% 50% 50% 60% 70% 40%

8. Operabilidad 0.255 70% 80% 70% 60% 50% 50% 30%

Total 0.63 0.64 0.64 0.62 0.53 0.51 0.45

El método de selección obtuvo como resultado un empate de 0.64 entre la alternativa dos y la

alternativa número 3. Estas alternativas son muy parecidas y su diferencia principal es el

tamaño de las ruedas. Debido a que ya se cuenta con las ruedas pequeñas, la alternativa de

solución que será llevada a cabo durante el proyecto es la 3 (Reductor Integrado con Ruedas

Pequeñas de Eje Solidario y Adiciones a la Tijera).

3. Diseño Detallado

Implementar la alternativa de solución elegida requiere de un diseño detallado de piezas y

ensambles y de un extensivo cálculo de variables en las que se determinan las dimensiones,

materiales y uniones de estos que satisfacen los requerimientos del proyecto. Sin embargo,

hacer esto a partir de una alternativa de solución que solo cuenta con la integración de

conceptos, es un proceso que continúa estando en una escala macro de la que todavía pueden

derivarse muchas soluciones. Es por esto por lo que se deben realizar unos cálculos para definir

unos requerimientos más concretos y elaborar un primer modelo de la solución. Este proceso

consiste en primero dar una forma a los a los conceptos de la alternativa de solución limitados

por las restricciones geométricas del problema y los primeros cálculos realizados.

Posteriormente se seleccionan y diseñan elementos mecánicos que conformarán el prototipo

de solución.

3.1 Restricciones geométricas

Las restricciones geométricas del problema son tanto cuantificables como genéricas. Las

primeras están asociadas a las distintas posiciones de las uniones, por esto son medibles en

distancias y ángulos. Las segundas nacen de la disposición de las piezas en el ensamble y por

esto son características con las que debe contar el ensamble. Para esto fue necesario medir las

distintas piezas y ubicación de las uniones de la maquinaria disponible. También requirió de

desensamblar y ensamblar el prototipo actual. En la tabla a continuación se presentan las

restricciones geométricas encontradas luego de estos ejercicios.

Tabla 6 Restricciones geométricas

Restricciones Cuantificables Restricciones Genéricas

- La cadena que provee la relación secundaria requiere una distancia de 57.5 cm entre centros de los sprockets para mantenerse tensada

- La cadena no puede colocarse por encima ni por debajo de la tijera debido a que la posición del sprocket ubicado a la salida del motor es inamovible.

- La relación de reducción de la cadena es de 3.571

- La tijera cuenta con pequeñas extensiones hacia su cavidad interior que limitan la presencia de piezas en ella.

- La distancia entre el borde interno más cercano de la tijera y el plano sobre el que se ubica la cadena es de 27 mm.

- El sprocket de salida debe ubicarse alineado con el mismo plano que el sporcket del motor.

- El sprocket de salida tiene un diámetro de 21 cm y ocupa un área de 346.34 cm^2

- El diámetro de la unión de la tijera es de 15.6 mm igual que el eje insertado en ella

- La unión de la tijera cuenta con un vacío ubicado entre dos circunferencias que tienen centros a una distancia de 40 mm.

- El primer agujero de la tijera está ubicado a 57.5 cm del sprocket del motor

- La distancia entre la superficie de la tijera y la parte inferior de la cubierta trasera de la motocicleta es de 39 cm en el extremo trasero.

- La tijera tiene una distancia entre sus dos bordes opuestos en el extremo final de 25.2 cm

- La altura entre el piso y el centro de la unión de la tijera es de 320 mm

- Las llantas pequeñas tienen un radio de 14 cm y una cavidad para eje de 34 mm.

Las imágenes a continuación se presentan como resultado del ejercicio de ensamble y

desensamble.

Ilustración 7 Motocicleta desensamblada

Ilustración 8 Eje de tracción y llantas disponibles

3.2 Cálculo de la Relación de Reducción

En el proceso de recolección de información se identificó una amplia variedad de

escenarios posibles en los que podría operar la motocicleta. Las principales variables

son: El apero que será utilizado, el terreno en el que se utilizará la motocicleta, el rango

en el que será operado el motor y una reserva de potencia para otros usos de la

motocicleta. Las variables ingenieriles que cambian dependiendo de estas situaciones y

las variaciones que generan son las siguientes:

▪ Peso del apero: Influye en la fuerza normal que ejercerá el terreno sobre la

motocicleta y por lo tanto en las fuerzas de resistencia y de adherencia. También

puede afectar la condición estática de la motocicleta.

▪ Ubicación del centro de masa del apero: La posición del centro de masa del apero

influye sobre el momento ejercido sobre la bicicleta en dirección perpendicular

al plano lateral, alterando de esta manera la condición estática.

▪ Coeficiente de adherencia: Los distintos terrenos tienen distintos coeficientes de

adherencia, la fuerza de tracción no puede superar la de adherencia y por lo

tanto limita el torque de salida en el eje de tracción.

▪ Coeficiente de rodadura: Cada terreno cuenta con un coeficiente de rodadura

distinta, la fuerza de tracción se ve disminuida por la fuerza de rodadura y debe

ser tenida en cuenta para calcular el torque de salida necesario.

▪ Rango en el que será operado el motor: Los motores alcanzan diferentes

potencias a distintas velocidades de operación. La motocicleta no siempre será

operada a una velocidad constante y es por eso es necesario analizar el efecto

de esto.

▪ Reserva de potencia para otros usos de la motocicleta: Aunque no hace parte del

proyecto, se desea utilizar un poco de la potencia para realizar otros tipos de

actividades o incorporar otro tipo de maquinarias. El caso particular es la adición

de un toma fuerza que se está llevando a cabo en un proyecto paralelo realizado

por Diego Alejandro Yustres en su proyecto de grado “Diseño de un Toma Fuerza

Mecánico para una Motocicleta” [12].Es necesario incluir en los cálculos de

transmisión de potencia este gasto de energía.

La relación de reducción establecida debe proveer un torque de salida que permita a la

motocicleta operar, sino en todos, en la mayoría de los casos posibles. Para esto se

definen rangos de operación de todas las variables presentadas anteriormente.

1. Tipo de Apero y la Ubicación de su Centro de Masa

No resulta pertinente diseñar para un tipo de apero especifico ya que unas dimensiones

y pesos establecidos definirán condiciones precisas de posición de centro de masa y de

peso que solo permitirán a la motocicleta operar en determinados terrenos. Por esta

razón se realiza un caso mínimo y un caso máximo de apero. De la recolección de

información se determinó el peso mínimo de los aperos pequeños alrededor de 175 kg

y el máximo alrededor de 500 kilogramos. Para cada caso hay una distancia L entre el

centro de masa del apero y el punto de acople a la tijera. Las dos suposiciones realizadas

aquí son: El apero es simétrico en el plano lateral, su longitud total será el doble que la

distancia entre su centro de masa y el eje de la tijera, y el punto de acople se ubica en el

eje de la tijera. A continuación se presenta el diagrama del cuerpo libre en dos

dimensiones evaluado con el fin de evitar que la motocicleta se vuelque.

9 Diagrama de cuerpo libre de la motocicleta con apero suspendido

El punto ideal para evaluar la ecuación de sumatoria de momentos igual a 0 es el punto

de apoyo de la rueda trasera. Dado que se desconoce la posición en la que se ubicará el

nuevo tren de tracción una vez diseñados e implementados los nuevos elementos del

nuevo subsistema de acople, se suponen las mismas dimensiones con las que cuenta el

prototipo actual. La distancia entre el centro de masa de la motocicleta y el apoyo de la

rueda trasera es de 0.536 m y la distancia hasta la llanta delantera es de 1.34 m. Se

calcula una distancia L como la distancia máxima a la que puede encontrarse el centro

de masa del apero del apoyo en la llanta trasera de la motocicleta sin hacer que se

vuelque. La ecuación es la siguiente:

∑ 𝑀 = −𝐹𝑛1 ∗ 1.34 − 𝑀𝑎 ∗ 𝑔 ∗ 𝐿 + 𝑀𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 0.536 = 0 (1)

Donde Ma es la masa del apero y Mm la masa de la motocicleta. Por seguridad y estabilidad se

diesña para el peso de la motocicleta sin carga, una vez montando el usuario no habrán

problemas para evitar que la motocicleta se vuelque. La única variable desconocida ademas de

L es la fuerza normal 1, si al evaluar con L su dirección supuesta es correcta entonces la

motocicleta se encontrara estática, sino significa que requiere una fuerza hacia abajo en ese

punto y por lo tanto se estará volcando. El limite estático de la motocicleta es entonces cuando

Fn1 es igual a 0. Realizando el cálculo bajo estas condiciones para L y para pesos de apero de

175, 337.5 y 500 kg, se obtienen los siguientes valores:

Tabla 7 Restricciones de Aperos

Masa del apero (kg)

Distancia máxima entre rueda trasera y centro de

masa del apero (m)

Máxima posición del centro de masa del apero respecto a su borde (m)

Máxima longitud del apero (m)

175 0.361 0.521 1.043

500 0.126 0.286 0.573

337.5 0.187 0.347 0.695

La tabla anterior presenta los límites de longitud de los aperos para su determinado peso

que se pueden utilizar en la modificación.

2. Coeficiente de rodadura y de adherencia.

Para determinar la relación de reducción es necesario conocer los torque máximo

posible y mínimo requerido por la motocicleta para operar sin que la llanta se mantenga

rotando y no haya desplazamiento y sin que no pueda rotar debido a la fricción. Para

esto es necesario calcular dos fuerzas horizontales y opuestas al movimiento que son:

La fuerza de adherencia y la fuerza de resistencia a la rodadura. Del diagrama de cuerpo

libre presentado anteriormente puede observarse que la fuerza de tracción ejercida

gracias al torque de salida enfrenta a estas dos fuerzas. Por un lado si la fuerza de

tracción no supera la de resistencia a la rodadura la llanta no podrá rotar y la motocicleta

no se desplazará, por otro lado, si la fuerza de tracción restada a la de resistencia supera

la fuerza de adherencia, la motocicleta se mantendrá rotando pero sin adherirse al

suelo, removiendo el terreno y sin poder avanzar [3]. Estas dos fuerzas dependen del

peso que este soportando el apoyo, en este caso corresponde a la reacción normal

realizada sobre la llanta trasera. Aquí influye de nuevo el peso del apero seleccionado,

por esta razón en esta sección se calcula un torque máximo y mínimo para cada caso

con el fin de determinar una reducción que provea un torque y una fuerza de tracción

que se ajusten a la mayoría de los casos posibles.

El primer paso es entonces determinar la fuerza normal en la llanta trasera Fn2 ejercida

sobre la motocicleta. De la “ecuación 1” se calcula la reacción normal en la llanta

delantera, las distancias elegidas para el modelo son distancias un poco menores que la

distancia L máxima determinada en la sección anterior, con el fin de dar al diseño una

seguridad mayor respecto a la posibilidad de volcarse. Una vez obtenida Fn1 se

determina Fn2 utilizando la sumatoria de fuerzas sobre el eje vertical.

∑ 𝐹𝑦 = 𝐹𝑛1 + 𝐹𝑛2 − 𝑔 ∗ (𝑀𝑚 + 𝑀𝑎) = 0 (2)

La siguiente tabla presenta las longitudes L elegidas y el valor de las reacciones

normales obtenidas para los casos extremos de aperos evaluados.

Tabla 8 Reacciones Normales

Masa del apero (kg) L (m) Fuerza Normal llanta

delantera (N) Fuerza Normal

llanta trasera (N)

175 0.2 206.58 2664.81

500 0.07 791.66 5264.73

337.5 0.1 610.65 3853.24

Las fuerzas de adherencia y de resistencia a la rodadura se calculan como el producto

de la normal en la llanta trasera y el coeficiente de adherencia o rodadura

respectivamente. Estos coeficientes son extremadamente difíciles de determinar ya que

varían según la infinidad de suelos posibles debido a cambios en composición,

temperatura, humedad y relieve de los terrenos. De la investigación sobre varios análisis

experimentales realizados para determinarlos se logró encontrar coeficientes

recurrentes definidos para los terrenos de suelo suelto y tierra labrada. Estos terrenos

son estándares y es muy difícil en la práctica encontrarlos con los coeficientes definidos,

de todas formas funciona como una buena aproximación dado que se está construyendo

un modelo [3].

Obtenidas las fuerzas de adherencia y resistencia a la rodadura ya se definen las fuerzas

de tracción máxima y mínima para cada terreno y peso de apero. Para encontrar el

torque mínimo y máximo necesario se multiplica esta fuerza por el radio de la rueda que

en este caso es de 0.14 m. El torque máximo se calcula tomando la fuerza de tracción

como la suma de la adherencia y la resistencia a la rodadura mientras el mínimo

tomándola únicamente como la de resistencia a la rodadura. Los resultados de estos

torques con los coeficientes encontrados se encuentran en la siguiente tabla.

Tabla 9 Restricciones de torque de salida.

Terreno Coeficiente

de adherencia

Coeficiente de

Rodadura

Masa del

apero (kg)

Fuerza de Adherencia

(N)

Fuerza de Resistencia

(N)

Fuerza de

tracción máxima

(N)

Torque máximo a la salida (N*m)

Torque mínimo a la

salida (N*m)

Suelo suelto

0.48 0.3 175 1279.11 799.44 2078.55 290.99 111.92

500 2527.07 1579.42 4106.49 574.91 221.12

Tierra labrada

0.52 0.2 175 1385.70 532.96 1918.66 268.61 74.61

500 2737.66 1052.95 3790.61 530.69 147.41

Los datos de las dos columnas de la derecha definen el rango de torques que puede

proveer el motor a la salida para desplazar estos aperos en estos terrenos.

3. Rango de operación del motor.

La relación de reducción de la adaptación se compone del producto de las relaciones de

los tres componentes definidos en la sección de modelamiento (Cadena a la salida del

motor, Caja reductora y Cadena con salida en el eje de tracción) y las reducciones

internas del motor. Antes de definir las relaciones de reducción y las especificaciones

de los elementos mecánicos que las proveen es necesario analizar y establecer los

rangos en los que opera el motor. De la sección de recolección de información se

conocen las relaciones de reducción del motor y la caja de cambios y los torques y

velocidades de entrada que provee tanto a potencia nominal como a torque máximo. El

cambio realizado por la adaptación es la relación secundaria que hacía la cadena a la

salida del motor. Los rangos variables de operación del motor dependen entonces del

cambio utilizado de la caja de cambios y el punto de operación según las revoluciones

por minuto a las que opera el motor. No fue posible obtener las curvas de potencia del

motor, por esta razón se evalúa para el punto de torque máximo a 5500 rpm y el punto

de potencia nominal a 7800 rpm. Las respectivas potencias de estos puntos son de 5.760

kW y 7.460 kW.

A continuación se evaluarán cuatro casos distintos. Dos con el motor operando a torque

máximo, uno para el torque del caso máximo posible y otro para el torque del caso

mínimo posible; Los otros dos para los mismos casos de torque pero esta vez con el

motor operando a la potencia nominal. El torque final resulta del producto entre el

torque inicial y todas las relaciones de reducción como presenta la siguiente ecuación.

En esta: R1 es la reducción del motor, Rc la reducción de la caja de cambios, Rr la

reducción de la caja reductora, Rs1 la reducción de la cadena a la salida del motor y Rs2

la reducción de la cadena con salida en el eje de tracción. La única variable es Rc y las

desconocidas son Rs1 Rs2 y Rr, por lo que el producto de estas tres se define como Rt y

se calcula primero.

𝑇𝑠 = 𝑇𝑖 ∗ 𝑅1 ∗ 𝑅𝑐 ∗ 𝑅𝑡 (3)

𝑇𝑠 = 𝑇𝑖 ∗ 𝑅1 ∗ 𝑅𝑐 ∗ 𝑅𝑠1 ∗ 𝑅𝑟 ∗ 𝑅𝑠2

A partir de esta ecuación se calcula Rt para los 4 casos especificados variando en cada

uno Rc con las relaciones de reducción de los 5 cambios del motor. Antes de hacerlo es

necesario tener en cuenta un último factor que se discute a continuación en el siguiente

numeral.

4. Reserva de potencia

La adaptación que desarrolla el proyecto tiene como objetivo aprovechar de la mejor

forma la oportunidad de utilizar la motocicleta para resolver el problema de la escasez

de maquinaria agrícola en Colombia. La característica aprovechable de la motocicleta es

su potencia y es valioso diseñar teniendo en cuenta que esta puede utilizarse para otros

fines diferentes a el desplazamiento de un apero. El proyecto paralelo de Diego

Alejandro Yustres, plantea añadir un toma fuerza a la motocicleta y para esto necesita

una potencia de 4.87 kW [12]. Esta potencia se toma como una segunda salida

modificando así las condiciones de transmisión de potencia entre el motor y el eje de

tracción. La potencia del motor (Pm) ahora será igual a la potencia del toma fuerza (Pft)

sumado a la potencia del eje de tracción (Pt).

𝑃𝑚 = 𝑃𝑡𝑓 + 𝑃𝑡 (4)

El toma fuerza quiere aplicarse al eje de salida de la caja reductora, es decir antes de eso

la potencia es la que provee el motor para los elementos mecánicos. Esto significa que

la “ecuación 3” ya no puede ser calculada de esa forma debido a que no tiene en cuenta

la perdida de potencia. Sin embargo, la velocidad de los distintos ejes si puede calcularse

únicamente a partir de las relaciones de reducción debido a que depende de la

geometría, cuando ocurra la perdida de potencia el mecanismo perderá torque en ese

punto pero mantendrá su velocidad debido a la condición cinemática [13]. De la

siguiente forma puede calcularse la velocidad de salida necesaria para los torques de

salida límites y la potencia de tracción restante disponible.

𝑃𝑡 = 𝑇𝑠 ∗ 𝜔𝑠 = 𝑃𝑚 − 𝑃𝑡𝑓 (5)

La “ecuación 3” puede ajustarse para encontrar Rt teniendo en cuenta lo discutido

anteriormente de la siguiente manera.

𝑃𝑚−𝑃𝑡𝑓

𝑇𝑠=

𝜔𝑖

𝑅1∗𝑅𝑐∗𝑅𝑠1∗𝑅𝑟∗𝑅𝑠2 (3.1)

𝑅𝑡 =𝜔𝑖∗𝑇𝑠

𝑅1∗𝑅𝑐∗(𝑃𝑚−𝑃𝑡𝑓)

A continuación se presentan 4 tablas, una para cada uno de los 4 casos mencionados en

el numeral 3, que resumen los cálculos realizados y contienen los valores de reducción

totales para los distintos cambios. Las primeras dos corresponden a los casos mínimos,

por lo que la relación de reducción en la última columna es la mínima relación necesaria.

Las dos últimas contienen los casos máximos y por ende las reducciones máximas

permitidas.

Tabla 10 Relación de reducción minima necesaria

cambio Potencia restante

disponible(kW)

velocidad de salida (rpm)

velocidad lineal de la

moto (km/h)

Reducción total mínima

1

0.889 113.85 1.67

4.74

2 7.98

3 10.76

4 13.53

5 16.15

1

2.59 331.47 4.86

2.31

2 3.89

3 5.24

4 6.59

5 7.86

Tabla 11 Relación de reducción máxima permitida

cambio Potencia restante

disponible(kW)

velocidad de salida (rpm)

velocidad lineal de la

moto(km/h)

Reducción total máxima

1

0.889 14.78 0.22

36.49

2 61.50

3 82.94

4 104.26

5 124.40

1

2.59 43.02 0.63

17.78

2 29.96

3 40.40

4 50.79

5 60.60

En el caso ideal la motocicleta debería poder operar en todos sus cambios sin patinar,

es decir sin superar la fuerza de adherencia y por lo tanto la relación de reducción total

deber ser menor a 17.78 debido a que es el valor mínimo de relación máxima permitida.

También es ideal que la motocicleta pueda acelerar en todos sus cambios aunque no es

primordial dado que la inercia de movimiento adquirida puede mantenerla andando aun

con aceleraciones negativas en los últimos cambios. La relación de reducción ideal se

encuentra entonces entre 16.7 y 17.78, no obstante, el valor de 16.7 corresponde al caso

de torque máximo y es preferible diseñar para el caso nominal. Siendo así el rango final

para la relación de reducción total resulta siendo de (7.86 a 17.78).

El valor puntual de la relación se definió a partir de un método gráfico. Este consiste en

graficar líneas horizontales con los torques mínimos tanto para el apero de 175 kg y de

500 kg. Luego se grafican los puntos de torque para cada cambio y cada punto de

operación del motor con alguna relación de reducción total dentro del intervalo. Entre

más puntos se encuentren entre las dos líneas más centrado es el valor y así no se

tendrán aceleraciones que causen velocidades exageradas para aperos pequeños que

no lo requieren, el objetivo es tratar de centrar el valor de los torques. De un ensayo de

prueba y error se definió la relación total de reducción como 10, la gráfica del método

se presenta a continuación.

Gráfico 4 Torques de salida de la motocicleta para Rt de 10.5

Los únicos cambios que no podrán movilizar ningún apero son la 4ta y la 5nta operando

el motor en el punto de torque máximo. El valor nominal solo puede arrancar aperos de

500 kg en el primer cambio, lo cual es ideal para no acelerar mucho los aperos más

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

400.00

0 1 2 3 4 5 6

Torq

ue

(N*m

)

Cambio de la Motocicelta

Torque entregado a la salida según el cambio

Operando a torque maximo Operando a potencia nominal

Apero de 175 kg en Tierra Labrada Apero de 500 kg en Suelo Suelto

pequeños al ser arrancados en este cambio. Esta relación de reducción total resulta

definida en 10.

3.3 Simulación Dinámica y Definición de la Velocidad de Avance

El objetivo principal es tratar de maximizar el torque de salida en el eje de tracción. Sin

embargo, debe poder garantizarse una velocidad mínima de operación del tractor. Estos

requisitos son variables dependiendo del tipo de tractor y terreno, por lo que se

definieron a partir de la literatura. La siguiente tabla obtenida de un artículo publicado

por la universidad de Munich muestra los requisitos de velocidad para el nivel de

tecnología de un tractor.

Tabla 12 Especificaciones de velocidad para tractores según artículo "Continuously Variable Tractor Transmissions" [14]

Los niveles definidos en la gráfica representan en orden ascendente el nivel de

tecnología del tractor. Los tractores pequeños y más básicos que se están evaluando

para ser sustituidos por la motocicleta corresponderían al nivel 1. Los mecanismos de

transmisión de potencia son simples engranajes y cajas de cambios mecánicas en los

motores. Las velocidades nominales para estos tractores van entre 2 a 20(25) km/h para

avance del tractor. La motocicleta deberá operar entonces a estas velocidades para

poder remplazar correctamente al tractor en términos de eficiencia recorriendo terreno.

Operando en el punto de potencia nominal y con las relaciones de reducción definida,

la velocidad inicial de la motocicleta arrancándola en primera es de 70.81 rpm

equivalentes a 4 km/h para las ruedas de radio 0.14 m. Aunque esta velocidad no alcanza

el mínimo del rango de operación establecido según el análisis de la universidad de

Munich, esto no es un problema dado que la motocicleta se mantendrá acelerada y

aumentará su velocidad. El otro posible problema es que las aceleraciones de la

motocicleta con estos torques sean altas y debido a la reducida masa de la motocicleta,

esta supere el límite máximo de 25 km/h.

Para comprobar que la relación definida no viola esta restricción del problema se realiza

una simulación dinámica en la que la motocicleta utiliza progresivamente todas las

relaciones de reducción de su caja de cambios. Los resultados se presentan tanto para

el terreno de tierra labrada como para el terreno de suelo suelto. Se realizan tres

simulaciones variando los pesos de los aperos, estos tres son 175 kg, 337 kg y 500 kg.

Primero se calcula la fuerza de tracción como la razón entre el torque de salida calculado

con todas las especificaciones de la sección anterior y el radio de la rueda. A esta fuerza

de tracción se le resta la resistencia a la rodadura ejercida por el terreno para la

motocicleta cargando el apero determinado. Posteriormente se divide por la masa total

del apero y la motocicleta (con usuario) para calcular la aceleración. Resulta pertinente

añadir la masa del usuario dado que si la motocicleta se encuentra andando siempre

habrá alguien encima manejándola, se toma el peso del usuario como 70 kg ya que

ronda el valor del peso promedio de un colombiano. Utilizando el software Microsoft

Excel se realiza una integral numérica sobre los valores de aceleración obtenidos entre

los 10 segundos con un intervalo de tiempo de 0.1 segundos para obtener la velocidad.

Las siguientes gráficas muestran los resultados de la simulación y las velocidades a las

que operaría la motocicleta con su respectivo apero utilizando la reducción provista por

la adaptación.

Aun es necesario definir el tiempo que operará la motocicleta en cada uno de los

cambios, esto no puede saberse exactamente dado que no se encuentran las

revoluciones ideales del motor para realizar los cambios y tampoco fue posible ejecutar

pruebas experimentales para determinarlos. Se realizará la simulación bajo el supuesto

de que la motocicleta opera en su punto de mejor operación tal como se hizo en la

sección anterior. Dividiendo la velocidad de del motor en este punto (7800 rpm) sobre

la relación de reducción total entre el eje de salida del motor y el eje de tracción se

puede determinar la velocidad de salida del eje de tracción para cada cambio.

Multiplicando esta velocidad por el radio de la rueda se obtiene la velocidad de la

motocicleta. Estos resultados se encuentran en la tabla a continuación.

Tabla 13 Velocidad la motocicleta segun el cambio.

Cambio Velocidad de Salida

(rpm) Velocidad de Avance

(km/h)

1 76.47 4.04

2 128.88 6.80

3 173.80 9.17

4 218.49 11.53

5 260.70 13.76

Con estos resultados ya se cuenta con una velocidad de la motocicleta que sirve como

referencia para el conocer el cambio ideal en el que debe estar operando la motocicleta.

En la simulación el tiempo que operara la motocicleta en un cambio será el mismo

tiempo que se demore en alcanzar la velocidad de avance ideal del siguiente cambio.

Por ejemplo, la motocicleta operara en el primer cambio con el torque que esta relación

determina hasta que la aceleración causada por este la lleve a una velocidad de 4.04

km/h.

Las siguientes gráficas presentan los resultados de las tres simulaciones para los dos

terrenos caracterizados.

• Primera simulación para apero de 175 kg

Gráfico 5 Simulación dinámica para tierra labrada con apero de 175 kg

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12

Vel

oci

dad

(km

/h)

Tiempo (s)

Velocidad en tierra labrada con apero de 175 kg

Este es el caso mínimo de los seleccionados para determinar los rangos de operación de

la motocicleta. El torque suministrado añadiendo la relación de reducción de 10 supera

en todos sus cambios al torque requerido para poder arrancar la motocicleta. Es por

esto por lo que puede notarse en la gráfica que las 5 distintas pendientes, que

corresponden a las aceleraciones en los 5 cambios, son positivas. Cuando la motocicleta

alcanza la velocidad ideal del siguiente cambio debe modificar la reducción en la caja

mecánica para que el motor pueda rotar a la velocidad que exige sin ser forzado. Aunque

en este modelo teórico la motocicleta podría aumentar su velocidad para siempre, esto

no es del todo cierto puesto que realmente la motocicleta no siempre puede operar en

su punto máxima potencia, lo que disminuirá el torque y la aceleración. Sin embargo, es

un buen indicativo de que la motocicleta puede llegar a velocidades de 16 km/h en el

5nto cambio de la caja mecánica mientras desplaza un apero de 175 kg en tierra labrada.

Se define la velocidad de avance ideal para el caso como la velocidad media a la que

opera la motocicleta cuando utiliza la última relación de la caja de cambios que causa

una aceleración.

Gráfico 6 Simulación dinámica para suelo suelto con apero de 175 kg

Suelo suelto es un terreno más agresivo y puede observarse como la relación de

reducción provista en el 4to cambio de la caja mecánica no puede acelerar la

motocicleta. Se puede concluir entonces que en este terreno y desplazando un apero de

175 kg la motocicleta no llegará a utilizar su 5nto cambio. Lo ideal sería operar la

motocicleta entre el 3er y 4to cambio. La velocidad ideal de avance ronda los 10 km/h

para este caso.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12

Vel

oci

dad

(km

/h)

tiempo (s)

Velocidad en Suelo Suelto con apero de 175 kg

• Segunda simulación para apero de 337.5 kg

Gráfico 7 Simulación dinámica para tierra labrada con apero de 337.5 kg

Al aumentar el peso del apero las restricciones de torque crecen y por lo tanto disminuye

la aceleración sobre la motocicleta en cada uno de los casos. Como puede observarse

en la gráfica, la motocicleta ya no alcanza la velocidad necesaria para operar en su 5nto

cambio debido a que no puede acelerar con el 4to. Para este caso será ideal operar la

motocicleta entre su cuarto y tercer cambio con una velocidad óptima de 10 km/h.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12

Vel

oci

dad

(km

/h)

Tiempo (s)

Velocidad en tierra labrada con apero de 337.5 kg

Gráfico 8 Simulación dinámica para suelo suelto con apero de 337.5 kg

La combinación de suelo suelto y apero de 337.5 kg no permiten que la motocicleta

acelere en su 3er cambio y por lo tanto que no pueda operar en su 4to y 5nto cambio.

La velocidad ideal de operación es de 8 km/h y se obtiene operando la motocicleta entre

el 2ndo y 3er cambio de la caja mecánica.

-2

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6 8 10 12

Vel

oci

dad

(km

/h)

tiempo (s)

Velocidad en Suelo Suelto con apero de 337.5 kg

• Tercera simulación para apero de 500 kg

Gráfico 9 Simulación dinámica para tierra labrada con apero de 500 kg

Desplazando un apero de 500 kilogramos la motocicleta será muy exigida y tendrá que

operar a bajas velocidades en los menores cambios de la caja mecánica. Para el terreno

de tierra labrada, el menos agresivo, la motocicleta deberá operar entre el 2ndo y 3er

cambio con una velocidad de avance de 8 km/h.

Gráfico 10 Simulación dinámica para suelo suelto con apero de 500 kg

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 2 4 6 8 10 12

Vel

oci

dad

(km

/h)

Tiempo (s)

Velocidad en tierra labrada con apero de 500 kg

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

0 2 4 6 8 10 12

Vel

oci

dad

(km

/h)

tiempo (s)

Velocidad en Suelo Suelto con apero de 500 kg

De todos los casos simulados este resulta ser el que más exigirá a la motocicleta y por lo

tanto es el límite máximo para el cual fue diseñada la adaptación. Como puede notarse

en la gráfica anterior, la motocicleta necesita utilizar la primera reducción de la caja de

cambios para poder acelerar. Debido a los efectos inerciales puede operar durante un

tiempo en su segunda relación. Sin embargo, esto es muy similar a desplazar un

automóvil en una pendiente por lo que el motor será forzado constantemente. La

velocidad ideal de avance es de 5 km/h para este caso.

A partir de los resultados de las simulaciones dinámicas quedan definidas las velocidades

de operación mínima y máxima que permite la adaptación. La velocidad máxima es la

velocidad de avance ideal del caso mínimo (apero de 175 kg en tierra labrada) y la

velocidad mínima es la velocidad de avance ideal del caso máximo (apero de 500 kg en

suelo suelto). El objetivo de establecer los rangos es diseñar la adaptación para operar

en el punto medio de estos con el fin de que sea útil para la mayoría de los casos que

comprende. Por esta razón la velocidad de avance ideal se define como el promedio

entre el promedio de las velocidades de avance de todos los casos y el promedio entre

las velocidades de los casos límites. En la siguiente tabla se encuentran los resultados

de la simulación dinámica y la velocidad de avance final seleccionada para la adaptación.

Tabla 14 Resultados de Velocidad

Terreno Peos de Apero

(kg) Velocidad de Avance

(km/h)

Tierra Labrada

175 16

337.5 10

500 8

Suelo Suelto

175 10

337.5 8

500 5

Velocidad promedio 9.5

Velocidad promedio entre limites 10.5

Velocidad de Avance 10

3.4 Solución preliminar

Una vez establecidas las limitantes geométricas a las que están restringidas las piezas

que serán diseñadas para la adaptación y los rangos de las variables físicas, se procede

a plantear un primer modelo de cada uno de los subsistemas. Los tres subsistemas

requieren distintos tipos de piezas que pueden ser diseñadas y manufacturadas,

adquiridas en el mercado local o puede que ya estén disponibles. A continuación se

encuentra el modelo de todas las piezas requeridas para cada subsistema.

• Subsistema de Tracción

Para el subsistema de tracción se utilizará un eje solidario para soportar las ruedas y dos

ruedas pequeñas. Ya se cuenta con estas piezas dado que se utilizarán las mismas que

en la adaptación anterior.

1. Eje de tracción:

El eje de tracción utilizado será el eje de tracción con el que cuenta la motocicleta de la

adaptación anterior. Este cuenta con 5 secciones: dos con diámetro de 25.2, dos con

diámetro 34.1 y la sección intermedia con diámetro de 44.3.

2. Ruedas de apoyo:

Como nuevo apoyo de la parte trasera de la motocicleta se van a utilizar las dos ruedas

pequeñas de 14 cm de diámetro con las que cuenta la motocicleta.

• Subsistema de Transmisión de Potencia

El subsistema de transmisión de potencia que será implementando a partir del concepto

de reductor integrado cuenta con tres componentes mecánicos. Estos están expuestos

a continuación.

1. Cadena de transmisión de la potencia del motor a primer eje de salida:

Esta cadena ya está disponible dado que es la cadena original que utilizaba la

motocicleta para transmitir la potencia a la llanta trasera. Sin embargo, requiere de una

pequeña modificación para poder tener como salida el eje de entrada a la caja

reductora. Aunque los sprockets originales se mantienen, se añadirá un nuevo sprocket

intermedio para poder ubicar el eje de entrada de la caja reductora en una posición

diferente al eje soportado en la tijera. Esto requiere cambiar la cadena por una más

larga.

2. Caja reductora de velocidades:

Como reductor de velocidades se utilizará una caja reductora comercial que provea la

relación de reducción necesaria para obtener el torque y velocidad de salida deseadas.

Como entrada cuenta con el eje de salida de la cadena del motor ubicado sobre el

soporte de la tijera.

3. Cadena de transmisión de potencia entre eje de la tijera y eje de tracción:

Para transmitir la potencia al eje de tracción desde el eje de salida de la caja reductora

se utilizará otra cadena mecánica.

• Subsistema de Acople

El subsistema de acople se basa en el concepto de adiciones a la tijera. Estas adiciones

a la tijera son principalmente dos que otorgarán el ajuste necesario y la estabilidad entre

subsistema de tracción, subsistema de transmisión de potencia y la motocicleta. En este

caso las adiciones serán diseñadas y manufacturadas dado que es muy difícil encontrar

piezas comerciales que se ajusten y cumplan de manera precisa con los requerimientos

del problema.

1. Base sobre la tijera:

Consiste en una base plana que será colocada encima de la tijera, se ajustara a esta

mediante uniones en el eje de la tijera y con tornillos apretados en una pequeña base

inferior que la ajustaran a los brazos de la tijera. Sobre esta también se ubicarán los

soportes para distintos ejes y para la caja reductora. A continuación puede verse un

primer modelo de la base y sus uniones.

Ilustración 10 Base de Apoyo y sus Soportes

El diseño final de la base y su geometría fue diseñado en el proyecto paralelo de Diego

Alejandro Yustres “Diseño de un Toma Fuerza Mecánico para una Motocicleta” [12]. Por

esta razón no se encuentra posteriormente un detalle sobre el diseño de esta. El modelo

en Autodesk Inventor de esta pieza es muy útil para, a partir del modelo de ensamble

en este mismo software, determinar las distintas posiciones de los demás componentes

del ensamble que solucionan las restricciones geométricas.

2. Brazos entre la tijera y el eje de tracción

En los dos brazos de la tijera serán colocados dos soportes que serán ajustados a la tijera

en los mismos puntos y de la misma manera que la base. Estos soportes contarán con

una extensión diagonal que tiene en el extremo un agujero en el cual se añade un

rodamiento sobre el que se soportará el eje de tracción.

Ilustración 11 Brazo de Acople entre Tijera y Eje de Tracción

La siguiente imagen retrata el ensamble del modelo en un estado primitivo.

Ilustración 12 Primer Modelo de Ensamble

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

La siguiente parte del proceso de diseño detallado consiste en definir correctamente las

dimensiones y especificaciones técnicas de las piezas y ensambles presentadas en la

solución preliminar. Para esto se realizan cálculos sobre elementos mecánicos con el fin

de elegir los adecuados para resolver el problema especificado en el PDS. Partiendo de

los elementos mecánicos seleccionados y sus geometrías, comienza el diseño de las

piezas, elementos y ensambles de las que constará la solución al problema.

3.5 Selección de la Caja Reductora

Ya obtenida la relación total de reducción necesaria para satisfacer los requerimientos

del proyecto, se procede a elegir los componentes mecánicos con los que esta será

provista. Esta elección de sus relaciones independientes de reducción y sus

especificaciones técnicas depende principalmente de las restricciones geométricas del

sistema (enunciadas en las secciones anteriores).

El primer componente mecánico que se selecciona es la caja reductora de velocidades.

En el capítulo de diseño conceptual se definió que era preferible utilizar una caja

reductora como reductor intermedio debido a que mejora la estabilidad y operabilidad

del sistema. Toda la transmisión de potencia ocurre en el plano y todos los ejes deben

rotar en la misma dirección por lo que son paralelos. La caja deseada entonces debe

tener una entrada y salida paralela. El proyecto se enfoca en resolver el problema en un

contexto local por lo que el proveedor del mecanismo debe ser colombiano. La caja

reductora también debe ser la que provea la mayor relación de reducción de los tres

componentes ya que las cadenas se utilizan más para resolver el problema de las

distancias establecidas entre los ejes.

El proveedor encontrado es la empresa Giravan que fábrica transmisores de potencia y

puentes grúas en Colombia. Ellos cuentan con distintas series de reductores cada una

con características de engranajes y disposiciones de ejes distintas. Luego de evaluar los

catálogos de la mayoría de las series se seleccionó la serie S que cuenta con engranajes

helicoidales y ejes colineales. Esta serie tiene los reductores más pequeños, algo que

resulta muy útil dado que se quiere minimizar el volumen, y opera en un rango de

potencia entre 0.12 a 11 kW que se corresponde con el de la motocicleta. El reductor

debe quedar encima de la base propuesta como soporte y no debe exceder en altura y

ancho las restricciones geométricas definidas en la “sección 3.1”. Los reductores más

pequeños de la serie que cuentan con estas características son los S101. En la siguiente

imagen se pueden apreciar los datos técnicos de los reductores obtenidos del catálogo

online de la página de Giravan [15].

Ilustración 13 Ficha técnica reductores S101 Giravan

Los reductores con relaciones de 10.3 y 12.3 quedan descartados ya que no se quiere

otorgar toda la reducción total únicamente a partir de la caja. El valor de 8.9, 6 deja solo

una reducción de 1.17 para las cadenas la cual es demasiado pequeña y podría no

corresponderse con las restricciones geométricas del problema. Los que tienen relación

menor a tres también se descartan debido a que la mayoría de la reducción debe darse

mediante la caja. Este descarte deja 4 reductores que podrían satisfacer los

requerimientos del problema. De manera aleatoria se elige el reductor S101 con relación

de 4.7 para continuar con el proyecto. A continuación se presentan los planos del

catálogo para poder apreciar las dimensiones del reductor y su masa.

Ilustración 14 Planos del reductor seleccionado

Su posición se define modelando la pieza en Autodesk Inventor 2018 y verificando su

funcionalidad en el ensamble.

3.6 Selección de Cadenas y Sprockets

Luego de evaluar las restricciones geométricas y la disposición de las cadenas

propuestas en la sección 3.4, es necesario encontrar cadenas mecánicas en el mercado

que puedan cumplir con los requerimientos. En esta sección se especifica su referencia,

dimensiones importantes y se comprueba su funcionalidad.

El primer modelo plantea la necesidad de dos cadenas. La primera es la cadena que une

la salida del motor a la entrada de la caja reductora. Para esta se piensa utilizar la cadena

original de la motocicleta. El problema es que deben usarse los dos sprockets disponibles

en las posiciones definidas para que la cadena se encuentre tensada y no tenga

interferencias. Primero se evaluó la posibilidad de colocar la caja reductora sobre la

base, alargar la cadena y añadir un tercer sprocket ubicado en el eje de entrada de la

caja reductora. Del ensamble realizado en Autodesk Inventor 2018 se puede apreciar

que este nuevo sprocket engancharía muy pocos dientes a la cadena y que es imposible

otorgar una transmisión de potencia correcta utilizando esta alternativa. Por esto la

cadena original de la motocicleta no será modificada y el eje de la tijera se mantendrá

en esa posición.

• Verificación de funcionalidad de cadenas seleccionadas

Para comprobar que las cadenas son útiles para el ensamble utiliza el procedimiento de

diseño descrito en el libro “Shigley’s Mechanical Engineering Design” [16].

Primero se calculan las potencias limitadas por eslabones y rodillos y se define la menor

como Htab. Estas se calculan de acuerdo con las siguientes fórmulas.

𝐻1 = 0.004 ∗ 𝑁11.08 ∗ 𝑛1

0.9 ∗ 𝑝(3−0.07∗𝑝)

𝐻2 =1000 ∗ 𝐾𝑟 ∗ 𝑁1.5

1 ∗ 𝑝0.8

𝑛11.5

En estas fórmulas N1 es el número de dientes, n1 las revoluciones en rpm, p el paso en

pulgadas y Kr un factor que depende de la referencia de la cadena. Todas estas

dimensiones para cada una de las cadenas serán obtenidas del modelo ideal de cadena

que presenta la herramienta de Design Acelerator de Auotdesk Inventor.

Con las siguientes tablas del libro “Shiegley’s Mechanical Engineering Design” deben

definirse los factores K1 y K2. Siempre se elegirán cadenas de torón simple.

Tabla 15 Factores K1 Y K2 [16]

Ahora se puede calcular el valor de la potencia permisible como:

𝐻𝑎 = 𝐾1 ∗ 𝐾2 ∗ 𝐻𝑡𝑎𝑏

• Selección de cadena entre salida del motor y eje de la tijera

La tabla a continuación presenta las especificaciones de la primera cadena, no se verifica

su funcionalidad dado que es una cadena comercial ya manufacturada y probada.

Tabla 16 Especificaciones cadena entre salida del motor y eje de la tijera

Parámetro Valor

Referencia ISO9001:2000 Distancia entre Centros 579 mm Paso 12.5 mm Relación de Reducción 3.57 Numero de Dientes Sprocket conductor 14 Diámetro Sprocket conductor 57 mm Numero de Dientes Sprocket conducido 50 Diámetro Sprocket conducido 210 mm

• Selección de cadena entre eje de la tijera y eje de entrada al reductor.

Es necesario entonces conseguir una cadena que transmita la potencia entre el eje de la

tijera y el eje de entrada al reductor. Debido a la presencia de la base y la posición del

eje de la tijera, resulta muy complicado posicionar esta nueva cadena. Además dado que

no se modificará la cadena original, se cuenta con una relación de reducción de 3.57. La

nueva cadena debe entonces proveer un aumento de velocidad con una relación de

reducción 0.42 para obtener la relación total deseada de 1.5. Se pasa a considerar la

posibilidad de añadir la caja reductora de velocidad a la parte inferior de la base para

evitar las interferencias de esta nueva cadena. La relación entre el número de dientes y

los diámetros de estos sprockets debe ser de 0.42. Con el fin de estandarizar el ensamble

es ideal utilizar la misma referencia de cadena para todas las del diseño. Debido a que

no se encuentra esta referencia en el design acelerator component de Autodesk

Inventor 2018 y la imposibilidad de prototipar debido a la situación excepcional del

coronavirus, se selecciona una referencia de cadena similar con la cuenta el programa

para resolver las restricciones geométricas y evitar interferencias mediante el modelo

del ensamble. La referencia de cadena seleccionada es ISO 10190: 1992-08 MA-124. El

software ajusta automáticamente los diámetros para el numero de dientes, la relación

es casi que la misma que tiene la cadena ISO9001:2000 y es por esto por lo que será

seleccionada para definir los parámetros de las cadenas. La siguiente tabla presenta los

parámetros de esta y los valores de las variables utilizados para calcular la potencia

admisible.

Tabla 17 Especificaciones de la cadena entre eje de la tijera y entrada a la caja reductora

Parámetro Valor

Referencia ISO 10190: 1992-08 MA-124. Distancia entre Centros 233 mm Paso 5 in Relación de Reducción 0.42 Numero de Dientes Sprocket conductor 17

Diámetro Sprocket conductor 69 mm Numero de Dientes Sprocket conducido 7 Diámetro Sprocket conducido 29 mm n1 214 rpm H1 H2 Htab Ha

1048 Hp 81.3 Hp 81.3 Hp 81.3 Hp

La potencia que transmite la motocicleta es de 10 Hp por lo que esta cadena puede

transmitir esta potencia sin esperar ningún tipo de falla.

• Selección de la cadena entre salida de la caja reductora y eje de tracción

Esta cadena se selecciona de la misma manera que la cadena anterior. En la siguiente

tabla se encuentran las especificaciones de esta.

Tabla 18 Especificaciones de la cadena entre salida de la caja reductora y eje de tracción

Parámetro Valor

Referencia ISO 10190: 1992-08 MA-124. Distancia entre Centros 406 mm Paso 5 in Relación de Reducción 1.5 Numero de Dientes Sprocket conductor 11 Diámetro Sprocket conductor 45 mm Numero de Dientes Sprocket conducido 17 Diámetro Sprocket conducido 69 mm n1 109 rpm H1 H2 Htab Ha

258.65 Hp 116.18 Hp 116.18 Hp 72.03 Hp

La potencia permitida de esta cadena también es mayor a 10 Hp por lo que es funcional

para el ensamble.

Los agujeros de los Sprockets que serán ajustados a los ejes son presentados en la

siguiente sección junto con su debido ajuste.

3.7 Definición de Uniones y Tolerancias de las Piezas

En la práctica las uniones de las piezas no son perfectas y deben diseñarse para rangos

en el que sean funcionales. Es por eso por lo que las dimensiones de las partes de las

piezas utilizadas como uniones requieren de tolerancias y ajustes. A continuación se

definirán tolerancias tanto para las piezas diseñadas y las piezas estándares que

conforman el ensamble del proyecto. Las tolerancias de las partes de las piezas son

presentadas progresivamente según las uniones que se van presentando. Los ajustes

que determinan estas tolerancias están definidos según norma ISO 286.

• Tolerancias de Agujeros y Ejes.

Los mecanismos de transmisión de potencia utilizados para el proyecto son todos

rotacionales. El ensamble constara de varias uniones entre ejes, agujeros y rodamientos.

Es pertinente determinar las dimensiones máximas y mínimas que podrán tener las

piezas que las conforman para dar funcionalidad al prototipo. Las siguientes tablas

muestran las tolerancias correspondientes a cada tipo de ajuste para ejes y agujeros, los

ajustes elegidos fueron seleccionados utilizando la norma ISO 286. [17].

Tabla 19 Tolerancias a partir de diametro nominal

Gráfico 11 Desviaciones de acuerdo a los ajustes presentados

A. Unión entre agujero de tijera y eje de tijera

La tijera es una pieza ya manufacturada y por lo tanto no es necesario definir ninguna

tolerancia. El eje que se insertará en su cavidad necesitará rotar a una alta velocidad sin

salirse del agujero de la tijera. Para ejes con aro exterior fijo y cargas normales (en las

que se incluyen reductores de velocidad) el ajuste recomendado es de k5 0 k6…. El

diámetro que corresponde a la dimensión nominal de este eje es de 15.6mm, se toma

como ajuste k6 ya que la precisión sale más costosa. De la “tabla 20” se encuentra una

tolerancia de 11µm. Dado que k tiene la dimensión nominal como base, esta sección del

eje debe seguir la siguiente especificación:

Ajuste: H6/k6

Diámetro del eje: 15.6 + 0.011 mm

Tipo de Unión: intermedia

B. Unión entre brazo de acople y eje de tijera

Esta unión corresponde a la misma unión anterior, por lo que las especificaciones del

eje son las mismas. Sin embargo, el agujero del brazo de acople aún no ha sido

especificado. El diámetro nominal es el mismo que el del agujero de la tijera y el ajuste

para agujero con aro exterior fijo es H6 o H7 para cargas de transmisión. Reduciendo la

precisión las especificaciones de este agujero son:

Ajuste: H7/k6

Diámetro: 15.6 + 0.018 mm

Tipo de Unión: intermedia

C. Unión entre la primera cadena y eje de tijera, misma unión que eje de tijera y

primer sprocket de la segunda cadena.

Esta unión consta del mismo eje de la unión descrita en el numeral A pero ahora será

insertada en el agujero del sprocket de salida de la cadena. Esta es una pieza con la que

ya se cuenta y por lo tanto no es necesario definir una tolerancia. En este caso se toma

un ajuste para aro exterior móvil debido a que el sprocket también se encuentra girando.

El ajuste recomendado para este caso es j5 o h5 para cargas variables…. La dimensión

nominal corresponde a la definida por el agujero del sprocket de 16mm, se usa j5 ya que

cuenta con la dimensión nominal como eje base. El eje requiere una sección media con

la siguiente especificación:

Ajuste: H6/j5

Diámetro: 16 ± 0.004mm

Tipo de Unión: intermedia

El agujero del sprocket de entrada de la segunda cadena se posiciona en el mismo eje.

Por esta razón debe tener el mismo ajuste H6 y la dimensión nominal debe ser la del eje.

Este agujero cuenta con las siguientes especificaciones.

Diámetro 16 + 0.011 mm

Tipo de Unión: intermedia

D. Unión entre eje de entrada al reductor y agujero del sprocket de salida de la

segunda cadena.

La dimensión nominal corresponde al eje de entrada al reductor que es de 14mm. El

sprocket se encuentra girando así que corresponde a una situación de aro exterior móvil.

Para el eje el ajuste sugerido es j5 y para el agujero es N7.

Ajuste: N7/j5

Diámetro del eje: 14 + 0.008 mm

Diámetro del agujero: 14 – 0.018 mm

Tipo de Unión: Intermedia en caso extremo, en los demás es de interferencia

E. Unión entre eje de salida del reductor y sprocket de entrada de la tercera cadena.

Esta situación es la misma que en el numeral D. Se utiliza el mismo ajuste que en ese

caso. Para un diámetro nominal de 16 mm, las especificaciones de la unión son:

Ajuste: N7/j5

Diámetro del eje: 16 + 0.008

Diámetro del agujero: 16 - 0.018

Tipo de Unión: Intermedia en caso extremo, en los demás es de interferencia

F. Unión entre sprocket de salida de la tercera cadena y eje de tracción

El eje de tracción cuenta con tres secciones diferentes. El sprocket debe acoplarse a la

sección mayor con un diámetro de 44.3 mm. La situación correspondiente es de aro

exterior móvil. El agujero del sprocket debe tener un ajuste de N7 mientras el eje uno

de j5. Se piensa tornear un poco esta sección debido a que el sprocket no es muy grande,

la dimensión esperada es de 40 mm las especificaciones de la unión son:

Ajuste: N7/j5

Diámetro del eje: 40 ± 0.0055

Diámetro del agujero: 40 -0.025

Tipo de Unión: Intermedia

G. Unión entre eje de tracción y agujero del brazo de acople

Esta unión tiene el aro extremo fijo debido a que es un soporte, el ajuste recomendado

es H7. Ya se cuenta con el eje por lo que no es necesario definir una tolerancia para este.

Él diámetro nominal corresponde a la sección media del eje con un valor de 34.1mm.

Las especificaciones de este ajuste son:

Ajuste: H7/j5

Diámetro del agujero: 34.1 + 0.025

Tipo de Unión: Intermedia

H. Unión entre agujero de ruedas y eje de tracción

La sección del eje en el que se insertan las ruedas corresponde al diámetro nominal de

la unión, en este caso es de 34.1mm. Dado que la rueda también gira es necesario un

rodamiento con aro móvil. El ajuste seleccionado para el agujero en este caso es de M7,

el eje no requiere tolerancia dado que es una pieza ya definida. Las especificaciones de

la unión son:

Ajuste: M7/j5

Diámetro del agujero: 34.1 - 0.025

Tipo de Unión: Intermedia

3.8 Diseño de Brazos de Acople y Selección del Eje de Tracción

El proceso de diseño detallado realizado hasta ahora permite concluir que la posición

definida por Miguel Ángel Díaz para el eje de tracción y las ruedas que utilizó de 14 cm

de radio son viables para utilizar en el prototipo. Estas ruedas y este eje son

completamente funcionales y fueron seleccionados para el mismo proyecto, razón por

lo que la su unión ya se encuentra definida. Utilizar estas ruedas y este eje y colocarlos

en esta posición no solo facilita el proceso de diseño del prototipo sino también de la

adquisición de sus componentes debido a que ya se cuenta con estos elementos. A

continuación se encuentran los planos del eje realizados por Miguel Ángel en su

adaptación [11].

Ilustración 15 Eje de tracción seleccionado [11]

• Geometría necesaria del brazo de acople

El único elemento que resta por diseñar es el que unirá el eje de tracción y las ruedas a

la tijera de la motocicleta. En la siguiente imagen se encuentran las restricciones

geométricas que debe satisfacer esta unión. En la sección 3.4 se presentó una idea

primitiva sobre la geometría que debe tener esta pieza, que será llamada brazo de

acople, para unir correctamente el subsistema de tracción a la motocicleta y al

subsistema de transmisión de potencia. En las imágenes a continuación se encuentran

los problemas geométricos puntuales que debe resolver esta pieza.

Ilustración 16 Restricciones geométricas laterales del brazo

Ilustración 17 Restricciones geométricas frontales del brazo

• Transmisión de Fuerzas del brazo de acople

Además de unir estas dos secciones del prototipo, el brazo de acople tiene la función de

soportar la motocicleta. Tomando las cargas que serán ejercidas sobre la motocicleta en

el caso medio (apero de 337.5 kg) definido en la sección 3.2, se realizara un análisis

estático para determinar la geometría y uniones pertinentes que debe tener este brazo

406 mm 321 mm

167 mm 140 mm

297 mm

26.176 mm

169.2 mm

3.77°

de acople. La primera idea para evaluar es diseñar el brazo como un elemento de dos

fuerzas. La imagen a continuación contiene las cargas a las que está sometida la

motocicleta utilizando esta opción.

Ilustración 18 Diagram de Fuerzas ejercido sobre la motocicleta

Utilizando la ecuación de sumatoria de momentos es posible calcular el valor de la fuerza normal

en llanta delantera. Posteriormente se utilizará la ecuación de sumatoria de fuerzas en el eje

vertical para obtener la reacción vertical que deberá ejercer el brazo sobre la motocicleta.

∑ 𝑀 = −𝐹𝑛1 ∗ 1.18 − 𝑀𝑎 ∗ 𝑔 ∗ 0.1 + 𝑀𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 0.376 = 0

𝐹𝑛1 =88.91

∑ 𝐹𝑦 = 𝐹𝑛1 − 𝑀𝑚 ∗ 𝑔 − 𝑀𝑎 ∗ 𝑔 + 𝐹𝑏𝑦 = 0

𝐹𝑏𝑦 = 4373.99

Peso de la

motocicleta

Fuerza normal

rueda delantera

Peso del apero

Reacción del

brazo

Debido a la geometría, este también causará una reacción en el eje horizontal. Como puede

apreciarse en la “ilustración 16”, el ángulo ideal en el que se encontraría el brazo con la

horizontal corresponde a la tangente inversa de la razón entre 181 mm y 167mm que equivale

a un valor de 47.3°. El brazo como elemento de dos fuerzas sentirá una compresión entre esta y

las fuerzas ejercidas sobre la motocicleta. Las fuerzas compresivas se calculan a continuación

usando este ángulo.

𝐹𝑏 =𝐹𝑏𝑦

sin 47= 5979 𝑁

𝐹𝑏𝑥 = 𝐹𝑏𝑦

tan 47= 4077 N

Estas mismas fuerzas serán transmitidas a las llantas y al suelo. Aunque la tierra puede soportar

la componente horizontal, la fuerza de resistencia a la rodadura deberá ser mayor que la

componente horizontal. Utilizando los coeficientes de resistencia a la rodadura definidos en la

“tabla 10” se obtienen, respectivamente para suelo suelto y tierra labrada, unas fuerzas de

resistencia a la rodadura de 1311.9 y 874.6. Utilizar un elemento de dos fuerzas no es viable ya

que la motocicleta rodaría hacia atrás y el elemento de dos fuerzas rotaría. Es necesario añadir

modificaciones que solucionen estos dos problemas.

La primera modificación consiste en utilizar la base que será acoplada sobre la motocicleta para

unir el brazo de acople a otro punto de la tijera. Para esto es necesario añadir un nuevo elemento

al cuerpo del brazo de acople que pueda unirlo a este punto. La segunda idea es diseñar el brazo

de acople en forma de L con el fin de aumentar el ángulo respecto a la horizontal y disminuir la

fuerza que se transmite en esta dirección. Las siguientes imágenes presentan las primeras

dimensiones con las que se evalúa la idea.

Ilustración 19 Dimensiones del brazo de Acople

Con estas dimensiones la distancia horizontal entre el agujero de la tijera y el punto inferior de

la pendiente del brazo de acople es de 53 mm. El nuevo ángulo entre la horizontal y el brazo es

de 73.67°. El cálculo de la reacción horizontal se encuentra a continuación.

𝐹𝑏𝑥 = 𝐹𝑏𝑦

tan 73.67°= 1281 N

El nuevo elemento será una unido a la base mediante un tornillo vertical que añadirá una

restricción de momento para evitar que el brazo rote y también una reacción en el eje horizontal.

Con el fin de mantener el brazo de acople como una sola pieza se soldará este nuevo elemento

al cuerpo del brazo de acople. La fuerza de resistencia a la rodadura tendrá como valor máximo

el producto de la normal por el coeficiente del terreno respectivo. Resulta pertinente notar que

estas fuerzas no serán todas soportadas por el mismo elemento, en cada lado de la motocicleta

se ubicará uno de estos brazos por lo que se reducen a la mitad. Esto con el fin de poder definir

correctamente las cargas que soporta cada uno de los brazos. La siguiente imagen presenta el

diagrama de cuerpo libre del brazo de acople teniendo en cuenta todas estas consideraciones.

160mm

m

114 mm

146 mm

m 320 mm

m

Ilustración 20 Diagrama de fuerzas sobre el brazo de acople

El sistema de ecuaciones, utilizando la ecuación de sumatoria de momentos en el punto del eje

de tracción, se encuentra a continuación.

∑ 𝑀 = 2186.5 ∗ 0.167 − 640.5 ∗ 0.181 − 𝐹𝑥 ∗ 0.146 − 𝑀 = 0

∑ 𝐹𝑦 = −2186.5 + 𝐹𝑛 = 0

∑ 𝐹𝑥 = +𝐹𝑥 + 640.5 − 𝐹𝑛 ∗ 𝐶𝑟 = 0

En la tabla a continuación se encuentran los resultados para el terreno de tierra labrada y el

terreno de suelo suelto.

2186.5 N

640.5 N

M

Fx

Fr

r

Fn

Tabla 20 Cargas ejercidas sobre el brazo de acople

Terreno Fn (N) Fx (N) M (N*m)

Tierra Labrada 2187 -203.2 278.9

Suelto Suelto 2187 15.45 247

El terreno de tierra labrada requiere que la motocicleta ejerza una fuerza sobre el brazo en la

dirección horizontal. Aquí surge un nuevo problema ya que la motocicleta no puede ejercer esta

fuerza debido a que se encuentra estática y no tiene ningún soporte. Será necesario entonces

añadir restricciones de torque al eje de tracción para aumentar la fuerza de resistencia en el eje

y eliminar la necesidad de esta fuerza. Estas restricciones pueden proveerse mediante los

pulsadores o bloqueos de las ruedas o utilizando la pata de cabra. De todas formas es

recomendable tener precauciones en el momento de colocar el apero sobre la motocicleta en

este terreno.

• Problema de estabilidad lateral

En la “ilustración 17” puede apreciarse un pequeño ángulo de 3.77° entre la tijera y la dirección

de desplazamiento de la motocicleta. Esto indicaría que una componente de la fuerza de

reacción ejercida por el brazo de acople actuaría en la dirección lateral de la motocicleta y podría

afectar la estabilidad. Debido a que el diseño es simétrico y se ubicará un brazo de acople a cada

lado de la motocicleta, esta componente será anulada por su contraparte. El valor de esta se

despreció para el cálculo de las fuerzas sobre el plano lateral debido a que el ángulo es muy

pequeño y por lo tanto también lo será la componente.

En la sección 3.1 se discutió sobre el problema de estabilidad que tenían las uniones diseñadas

por Miguel Ángel en su adaptación. Con el fin de mejorar esto se modelan los brazos de acople

con una sección transversal para aumentar su inercia. También se diseña un agujero en cada

uno de los brazos por el que pasa una varilla roscada que será apretada por una tuerca a cada

extremo lateral de los brazos. Esto fijará su posición en la dirección lateral añadiendo estabilidad

a la motocicleta. Teniendo en cuenta los cálculos realizados en esta sección y la geometría del

brazo de acople resulta mejor soldar el elemento que provee la reacción de torque al brazo de

acople. De esta manera el brazo de acople resulta siendo una sola pieza.

3.9 Selección de Elementos de Sujeción

Para unir y posicionar las distintas piezas diseñadas con la motocicleta y los elementos

mecánicos de transmisión de potencia se usarán piezas estandarizadas como tornillos, tuercas

y rodamientos, dependiendo de la unión necesaria.

Los ejes y agujeros están muy ligados a las uniones entre el subsistema de tracción con

el de transmisión de potencia y el de acople. El último subsistema tiene como función

no solo integrar los otros dos, sino también dar un ajuste funcional a la motocicleta. Para

esto cuenta con distintas uniones entre las distintas piezas que lo conforman y la tijera

de la motocicleta. Estas uniones se realizan ya sea por medio de procesos de

manufactura o mediante aprietes de tornillos y tuercas estándares. A continuación se

encuentran los elementos estandarizados utilizados y las uniones que definen.

Tabla 21 Piezas estandarizadas del ensamble

Unión Elemento Cantidad

-Base y soporte inferior de la base

Tornillo AS 1427 – Métrico M10 x 60 X2

Tuerca DIN 6923 M10 x 1,25 X2

-Base y brazos de la base Soldar los brazos de la base en la parte inferior de la base.

-Brazos de la base a tijera y brazo de acople

Tornillo (IFI) 5/8-11 UNC x 1,25 X2

Tuerca (IFI) 5/8-11

X2

-Brazos de acople a base y tijera

Tornillo GB/T 35 M 10 X 70 X2

Tuerca ANSI B18.2.4.2M M10 X 1,5 X2

-Brazos de acople a eje de tracción

Rodamientos ANSI/AFBMA 16.1 35 x 47 x7 X2 Uno para

cada brazo

-Pasador del brazo Tuerca CSN 02 1402M 14 x 1,5 X2

Estas piezas fueron seleccionadas del content center de Autodesk Inventor 2018

4. Diseño Final

La última parte del proceso de diseño consisten en comprobar la funcionalidad del prototipo

diseñado y presentarlo. Esto se hace mediante pruebas en el laboratorio o en el ambiente

correspondiente y mediante simulaciones en distintos softwares. El prototipo no pudo realizarse

durante este proyecto por lo que no fue posible realizar pruebas sobre este. Sin embargo, el

diseño de los componentes y el ensamble si se encuentra terminado, por lo que el prototipo

está listo para implementarse. Como guía para los trabajos futuros se presenta la descripción

del procedimiento junto con el diseño final de los subsistemas integrados. La única justificación

ingenieril no realizada en el capítulo de diseño detallado fue la funcionalidad estructural de los

elementos diseñados, es decir del subsistema de acople. Para esto se realiza una simulación de

elementos finitos sobre el brazo de acople. La base colocada sobre la tijera fue diseñada en un

proyecto complementario y su análisis estructural fue realizado en ese. Con toda esta

información se realiza una evaluación de cumplimiento de objetivos y requerimientos del

proyecto definidos en la sección 1.2.

4.1 Resultados de Diseño

El resultado del proyecto es el diseño de un prototipo que consiste en tres subsistemas y

funciona como la adaptación de una motocicleta a la actividad agrícola. A continuación se

presentan estos subsistemas y los elementos que los conforman, el prototipo completo y su

procedimiento de ensamble.

• Subsistema de transmisión de potencia

En la siguiente tabla se encuentran los elementos mecánicos que conforman este subsistema

Tabla 22 Elementos del subsitema de transmisión de potencia

N0 Elemento

Relación de Reducción

Función

1 Cadena ISO 9001:2000 3.57

Transmitir la potencia entre la salida del motor al eje ubicado en el agujero de la tijera.

2 Cadena ISO 10190: 1992-08

MA-124. (1) 0.42

Transmitir la potencia del eje ubicado en el agujero de la tijera a la entrada de la caja reductora

3 Caja reductora Giravan S101 4.7

Reducir la velocidad para entregar más torque al eje de tracción

4 Cadena ISO 10190: 1992-08

MA-124. (2) 1.5

Transmitir la potencia desde la salida de la caja reductora hasta el eje de tracción.

En la siguiente imagen puede apreciarse la funcionalidad del subsistema.

Tabla 23 Subsistema de transmisión de potencia

• Subsistema de tracción

Este subsitema consta solamente del eje de tracción y sus dos ruedas, las ruedas tienen un radio

de 14 cm y las dimensiones del eje se encuentran en la sección 3.8. En la siguiente imagen se

presenta el subsistema.

Eje de salida

del motor

Tijera de la

motocicleta

3

Eje de tracción

4

2

1

Eje en el agujero

de la tijera

• Subsistema de acople

En la siguiente tabla se encuentran todos los elementos diseñados que conforman el subsistema

de acople, los elementos estandarizados se encuentran en la “tabla 22”. Los planos de estos

elementos con sus dimensiones definidas se encuentran en los anexos.

Tabla 24 Elementos diseñados del subsistema de acople

Elemento Función

Base

Servir como elemento de unión entre elementos del subsistema de transmisión de potencia y la motocicleta.

Brazo de Apoyo

Servir como elemento de union entre elementos del subsistema de tracción y la motocicleta. Tambien debe soportar el peso de la motocicleta y garantizar su estabilidad lateral.

Varilla Roscada

Unir los dos brazos de apoyo para mejorar la estabilidad de la motocicleta.

Eje de tracción

Ruedas de 14

cm de radio

El subsistema se encuentra en la siguiente imagen.

Ilustración 21 Subsistema de acople

• Diseño Completo

Las siguientes imágenes presentan el prototipo diseñado con los 3 susbsitemas unidos.

Ilustración 22 Prototipo Final

Base sobre la

tijera

Tijera de la

motocicleta

Brazo de

apoyo

Varilla roscada

Ilustración 23 Ensamble del Prototipo Final

• Procedimiento de ensamble

Para ensamblar el prototipo es necesario conseguir todos los elementos estandarizados

definidos en la “tabla 22”. Estos elementos fueron seleccionados para cumplir con las

restricciones geométricas del modelo del prototipo en Autodesk Inventor 2018, existe

la posibilidad de cambiarlos por elementos más accesibles o baratos. De todas formas

el procedimiento será descrito utilizando estos elementos. También es necesario

manufacturar la base y sus soportes así como el brazo de acople. Los planos de todas las

piezas diseñadas se encuentran en los anexos nombradas con el nombre especificado

en esta sección. A continuación se encuentra la lista de pasos que deben seguirse para

ensamblar el prototipo.

▪ Ensamble del subsistema de transmisión de Potencia

1. Desmontar la llanta trasera de la motocicleta y dejarla suspendida sobre un gato

hidráulico.

2. Colocar la base sobre la motocicleta y alinear sus orejas con los agujeros de la

tijera. Una vez hecho esto se deben alinear los agujeros de la base de sujeción

con los agujeros frontales de la base de la tijera. Por cada uno de estos debe

pasar uno de los tornillos AS 1427 – Métrico M10 X 60. Utilizar para cada tornillo

una tuerca DIN 6923 M10 X 1,25 para ajustar la base de sujeción fijando de esta

manera la base a la tijera.

3. Añadir la caja reductora S101 de Giravan a la parte inferior de la base. La salida

corresponde al eje ubicado en la parte trapezoidal. El eje de entrada debe quedar

del lado de la cadena ISO 9001:2000 con sprocket conductor a la salida del

motor. Los planos encontrados de la caja reductora permiten definir la posición

vertical de los ejes y su dimensión. La profundidad de la caja y de su base no son

exactas por lo que no se conocen las dimensiones exactas de los agujeros que

tiene el reductor para ser añadido a otras piezas. Por esta razón no se especifican

agujeros en la base añadida a la tijera ya que podrían ser inútiles. La base deberá

manufacturarse previamente a iniciar el procedimiento de ensamble para poder

añadirse el reductor.

4. Introducir el eje trasero original de la motocicleta por el agujero izquierdo de la

tijera. Ajustar sobre este el Sprocket conducido de 50 dientes de la cadena ISO

9001: 2000. Antes de pasar el eje al extremo derecho de la tijera y fijarlo, debe

ajustarse también el sprocket conductor con 17 dientes, de la cadena ISO 10190:

1992-08 MA-124, justo al lado del sprocket de 50 dientes. Las dos cadenas

correspondientes deben ir colocadas sobre sus sporckets antes de ajustar el eje

en el agujero derecho de la tijera.

5. Añadir el sprocket conducido con 7 dientes, de la cadena ISO 10190: 1992-08

MA-124, al eje de entrada de la caja reductora. Colocar la cadena

correspondiente sobre este sprocket.

6. Añadir el sprocket conductor con 11 dientes, de la segunda cadena ISO 10190:

1992-08 MA-124, al eje de salida del redactor. Colocar su respectiva cadena

sobre él.

▪ Ensamble del subsistema de transmisión de potencia.

7. Remover todas las piezas añadidas al eje de tracción de la adaptación de Miguel

Ángel Díaz. Colocar un rodamiento ANSI/AFBMA 16.1 35 x 47 x 7 al agujero

circular de cada brazo de acople.

8. Colocar el sprocket restante con 17 dientes sobre la sección media del eje a una

distancia aproximada de 46 mm del hombro más cercano.

9. Ajustar el agujero con el rodamiento del brazo de acople izquierdo al hombro de

la sección media del eje más lejano al sprocket de 17 dientes.

10. Colocar la llanta izquierda sobre el extremo izquierdo del eje.

▪ Ensamble del subsistema de acople.

11. Alinear el agujero superior del brazo de acople al agujero de la tijera. Por el borde frontal

del agujero debe pasar el eje original de la motocicleta. Si este no es suficientemente

largo, será necesario conseguir uno nuevo con el mismo diámetro pero más largo. Pasar

un tornillo (IFI) 5/8-11 UNC x 1,25 por el borde libre del agujero y ajustarlo con tuerca

(IFI) 5/8-11. El brazo de acople debió quedar unido a la tijera y a la base parcialmente.

12. Alinear el agujero del otro extremo del brazo de acople con el agujero de la sección

media de la base. Pasar por estos dos un tornillo GB/T 35 M10 X 70 y ajustarlo con tuerca

ANSI B18.2.4.2M M 10 X 1,5.

13. Repetir los pasos 9, 10, 11 y 12 para el lado derecho de la motocicleta. Colocar la

Segunda cadena ISO 10190: 1992-08 MA-124 sobre el sprocket de 11 dientes a la

salida de la caja reductora.

14. Pasar la varilla roscada por los agujeros de la sección media de los brazos de acople y

ajustarla a cada lado con una tuerca CSN 02 1402M 14 x 1,5.

15. Desmontar la motocicleta del gato hidráulico.

4.2 Verificación de los Requerimientos de Diseño

Todas las piezas diseñadas fueron modeladas en Autodesk Inventor 2018 donde se encuentran

unidas en el ensamble del prototipo. En los anexos se encuentran sus planos y especificaciones.

En la siguiente tabla se encuentran el requerimiento u objetivo y su resultado.

Requerimiento Verificación

• Todas las piezas del prototipo deben ser manufacturadas a partir de procesos instalados en la Universidad de los Andes.

No se manufacturó el prototipo

• El prototipo debe ser manufacturado en materiales que puedan soportar altos impactos y esfuerzos.

La base y el brazo de apoyo están pensados para manufacturarse en acero estructural. Este tiene un esfuerzo de fluencia de 250 Mpa y un esfuerzo último de rotura de 460 Mpa.

• El nuevo ensamble de reductor y tren de tracción debe ser fácilmente desmontable a la motocicleta.

Solo se utilizan Tornillos y tuercas para las uniones. Las llaves adecuadas bastan para montar y desmontar el prototipo diseñado.

• La modificación debe permitir al usuario operar la motocicleta de la misma manera que lo haría normalmente.

La caja de cambios, el sistema de frenado y el motor de la motocicleta no se modifican en la adaptación, el usuario podrá operar la motocicleta como lo haría sin ella.

• El prototipo de solución debe poder utilizarse con cualquier motocicleta común.

El diseño fue realizado con las dimensiones de la motocicleta YAMAHA XTZ125, adaptarlo para que sea útil en cualquier motocicleta es un trabajo pendiente.

• La motocicleta debe incluir una reducción de velocidad de 10:1 para generar el torque necesario requerido para desplazarla a ella y a un apero pequeño (175 a 500 kg) en un campo agrícola.

El producto de las relaciones de reducción de las tres cadenas y la caja reductora es de 10.5.

• La motocicleta debe operar a velocidades menores de 15 km/h

De las simulaciones dinámicas realizadas en la sección 3.3 se determinó que solo operando un apero de 175kg en tierra labrada se puede llegar esta velocidad. En la mayoría de los casos se cumple con este requerimiento.

• La motocicleta debe poder mantener la estabilidad lateral operando a una velocidad de avance de 10km/h en campos agrícolas

Es necesario implementar y probar el prototipo para determinarlo.

• Simulación de elementos finitos

El problema de integridad estructural del brazo de acople se resolvió mediante una simulación

de elementos finitos en Ansys Workbench. La estabilidad estructural de la base se corroboró en

el proyecto de grado (citar yustres). A continuación se encuentran su procedimiento y

resultados.

1. Geometría y malla

Para definir la geometría se importó la pieza (Brazo de acople) de Autodesk Inventor 2018. El

material seleccionado fue acero estructural. Se definió una malla con resolución de 7 con

elementos de tamaño máximo de 4 x 10^-3, para un total de 255103 nodos y 171561 elementos.

2. Cargas y soportes.

De acuerdo con el análisis realizado en la sección 3.8 la fuerza vertical que debe soportar el brazo

de 2186.5 N. Esta carga actúa sobre los dos agujeros que conforman la unión a la tijera. Por esta

razón se definieron dos cargas, cada una con una magnitud de 1093.25 direccionadas hacia el

suelo. En el agujero donde se coloca el eje de tracción y en el agujero donde pasa un tornillo

GB/T 35 M 10 X 70, se colocaron soportes cilíndricos. El estado de cargas puede

apreciarse en la siguiente imagen.

3. Análisis de esfuerzos

Para determinar los esfuerzos y el factor de seguridad se utilizó la teoría de distorsión

de energía de Von Misses. Los resultados de máximo esfuerzo generado y mínimo factor

de seguridad se encuentran en la imagen a continuación.

Ilustración 24 Esfuerzos sobre brazo de acople

Ilustración 25 Factor de seguridad del brazo de acople.

De esta simulación puede concluirse que la pieza es funcional y soportará sin ningún

problema los esfuerzos generados por mantener el peso de la motocicleta y un apero

pequeño.

4.3 Ficha Técnica

Para finalizar resulta pertinente resumir las capacidades generales en las que se

encontrará la motocicleta con la adaptación diseñada. En la siguiente ficha técnica se

presentan las especificaciones finales del diseño.

Ficha Técnica

Capacidades Resultado Especificaciones Resultado

Relación de Reducción Total 10 Material de la Base Acero

Estructural

Torque Máximo 349.3 N*m Material del Brazo de Acople Acero

Estructural

Torque Mínimo 49.91 N*m Factor de Seguridad Mínimo

del Diseño 6.08

Fuerza Máxima de Tracción 2495 N

Fuerza Mínima de Tracción 356.5 N

Velocidad Máxima 20 km/h

Velocidad Nominal 10 km/h

Velocidad Mínima 5 km/h

Potencia Utilizada en Tracción Respecto a la Máxima

Disponible

3.47/10 Hp

5. Conclusiones

Este proyecto permite concluir que adaptar una motocicleta común para sustituir

al tractor pequeño y de esta forma utilizarla como maquinaria en el campo de la

agroindustria es una alternativa viable. La motocicleta podrá arrancar en distintos

terrenos mientras desplaza aperos con pesos entre los 175 y 500kg. También

estará en capacidad de desplazarse a velocidades menores a los 15 km/h sin

perder su estabilidad lateral. Además no es necesario que utilice toda su potencia

en desplazamiento. El diseño realizado permite que la motocicleta use una parte

de la potencia de su motor para otras funciones, como puede serlo mover o

potenciar otra maquina agrícola.

El resultado final del proyecto es un diseño completo de un prototipo que puede

adherirse a la motocicleta YAMAHA XTZ125 para realizar lo descrito en el párrafo

anterior. Sin embargo, el objetivo macro consiste en poder implementar una

adaptación a cualquier motocicleta común. Para lograrlo aun restan por hacer

distintos trabajos. Los trabajos inmediatos a este proyecto se encuentran a

continuación.

1. Conseguir los elementos mecánicos comerciales seleccionados para el

prototipo.

2. Manufacturar las piezas diseñadas como parte del subsistema de

acople.

3. Ensamblar el prototipo diseñado

4. Realizar pruebas de arranque y estabilidad lateral tanto en el

laboratorio como en terrenos agrícolas. Evaluar el comportamiento de

la motocicleta en los distintos puntos de operación del motor.

5. Realizar una selección mas profunda de aperos agrícolas y diseñar e

implementar una unión de estos a la motocicleta.

6. Bibliografía

[1] K. Hurst, Engineering Design Principles, Elsevier, 1999.

[2] John Deer, «Tractores Utilitarios,» 2020. [En línea]. Available:

https://www.deere.com/latin-america/es/tractores/tractores-utilitarios/.

[3] E. Gil, «Maquinaria Agrícola Tractor, Preparación del Suelo y Siembra,» UNIVERSITAT

POLITÉCNICA DE CATALUNYA, Barcelona.

[4] Maquituls, «Jardín y Agricultura Aperos Agrícolas,» 2020. [En línea]. Available:

https://www.maquituls.es/294-abonadoras.

[5] Economia y Negocios, «8,2 millones es el tamaño del parque de motos en el país,» EL

TIEMPO, 10 Diciembre 2018.

[6] K. S. B. Guevara, «Cuánto ha aumentado el número de motos en Colombia durante los

últimos 10 años,» La República, 20 Abril 2018.

[7] Incolmotos Yamaha, «Catalogo de Repuestos XTZ125E,» https://www.incolmotos-

yamaha.com.co/wp-content/uploads/2018/03/XTZ125-2MD4_2018.pdf, 2018.

[8] K. Alfonso, «No hay cuentas claras en el número de tractores que se importan al país,»

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[9] CASE, «CASE Agriculture,» CASE, 2020. [En línea]. Available:

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[10] Incolmotos Yamaha, «XTZ 125,» 2020. [En línea]. Available: https://www.incolmotos-

yamaha.com.co/vehiculo/xtz125/2245/.

[11] M. Á. Díaz, «Desarrollo de una Adaptación de Motocicletas para Desarrollar Actividades

Agrícolas,» Bogota D.C, 2018.

[12] D. A. Yustres, «Diseño de un Toma Fuerza Mecánico para una Motocicleta,» Bogotá,

2020.

[13] R. Northon, Design of Machinery, Mc Graw Hill, 2008.

[14] K. TH.Renius, «Continiously Variable Tractor Transmissions,» Technical University of

Munich, Munich, 2005.

[15] Giravan, «Reductores y Motoreductores coaxiales BONFIGLIOLI SERIE S,» [En línea].

Available: http://www.giravan.com/descargas-2/finish/113-catalogo-reductores-serie-

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[16] R. G. Budynas, Shigley's Mechanical Engineering Design, Mc Graw Hill, 2006.

[17] UNE-EN ISO 286-1, «Tolerancias Dimensionales. ISO 286,» Septiembre 2013. [En línea].

Available:

https://www.edu.xunta.gal/centros/cfrcoruna/aulavirtual2/file.php/186/Tolerancias_Di

mensionales_.pdf.

Agradecimientos

Quiero agradecer a mis padres por siempre haber estado presentes en mi vida

asegurándose de que no me falte nada, a mis hermanos por impulsarme a cada día ser

mejor y a mis amigos por crear recuerdos invaluables conmigo. También quiero

agradecer al profesor Carlos Francisco y a mi compañero Diego Alejandro por haber

hecho de la realización de este proyecto una experiencia muy amena.

ANEXOS

A. Planos de la Base

B. Plano del Brazo de Acople

C. Plano del Ensamble